थर्मल झूठ: क्यों आपके वॉइड मानदंड आपके हार्डवेयर को फेल कर रहे हैं

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माण में एक व्यापक अंधविश्वास है जो एक सुंदर एक्स-रे छवि को एक विश्वसनीय भाग के साथ बराबर मानता है। आप इसे शेनझेन से ग्वाडलजारा तक उत्पादन लाइनों पर देखते हैं: एक गुणवत्ता प्रबंधक QFN के एक बैच को रोकता है क्योंकि voiding प्रतिशत IPC-A-610 द्वारा निर्धारित मनमाने 25% के बजाय 28% तक पहुंच गया। इस बीच, लाइन रुक जाती है, "खराब" बोर्ड स्क्रैप या पुनःकार्य किए जाते हैं, और हर कोई दोष पकड़ने के लिए खुद को पीठ थपथपाता है।

यह विश्वसनीयता इंजीनियरिंग नहीं है। यह एक सुंदरता प्रतियोगिता है।

भौतिकी आपकी ग्रे-स्केल थ्रेशोल्ड की परवाह नहीं करती। भौतिकी केवल जंक्शन से परिवेश पर्यावरण तक के थर्मल पथ की परवाह करती है। यदि आप void प्रतिशत को void स्थान से ऊपर प्राथमिकता देते हैं, तो आप संभवतः अच्छे हार्डवेयर को स्क्रैप कर रहे हैं जबकि खतरनाक भागों को गेट से आसानी से निकलने दे रहे हैं।

समस्या यह है कि हमने कार्यकुशलता मानकों को—जो यह निर्धारित करने के लिए उत्कृष्ट हैं कि कोई प्रक्रिया भटक रही है या नहीं—विश्वसनीयता भौतिकी के रूप में प्रस्तुत करने की अनुमति दी है। IPC-A-610 क्लास 3 जैसे मानक एक द्विआधारी पास/फेल गेज हैं जो अनुबंध विवादों और दृश्य स्थिरता के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, न कि यह भविष्यवाणी करने के लिए कि कोई MOSFET एक दस साल के ड्यूटी साइकिल में ऑटोमोटिव ट्रैक्शन इन्वर्टर में जीवित रहेगा या नहीं।

जब आप 25% void सीमा को थर्मल विफलता के लिए एक कठोर सीमा के रूप में मानते हैं, तो आप "थर्मल बजट" की अवधारणा को नजरअंदाज करते हैं। 30% voiding वाला एक भाग जंक्शन-टू-केस थर्मल प्रतिरोध (Rth-jc) में सांख्यिकीय रूप से 10% voiding वाले भाग के समान हो सकता है, पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि वे voids कहाँ स्थित हैं। हमें छायाओं का ऑडिट करना बंद करना चाहिए और गर्मी के प्रवाह का इंजीनियरिंग शुरू करना चाहिए।

भूगोल बनाम ज्यामिति

गर्मी पानी की तरह बहती है, सबसे कम प्रतिरोध वाले मार्ग को अपनाती है, और यह पूरे डाई अटैच पैडल में समान रूप से नहीं बहती।

एक उच्च-शक्ति 5×6 PowerQFN लें। परीक्षण में, आप एक इकाई का सामना कर सकते हैं जिसमें भारी voiding हो—451% तक—जो आक्रामक फ्लक्स आउटगैसिंग के कारण होता है। एक एक्स-रे मशीन की नग्न आंख से, यह एक आपदा की तरह दिखता है, सोल्डर का स्विस चीज़ जो तुरंत जल जाना चाहिए। लेकिन यदि आप उन voids का मानचित्र बनाते हैं, तो अक्सर आप पाते हैं कि वे "शैम्पेन बुलबुले" हैं जो पूरी तरह से पैड के परिधि के चारों ओर समूहित हैं, जो रिफ्लो के दौरान वेटिंग बलों द्वारा वहां ले जाए गए हैं। पैड का केंद्र, जो सीधे सिलिकॉन डाई के सक्रिय हॉटस्पॉट के नीचे है, ठोस है।

जब आप इस "असफल" भाग को थर्मोकपल या ट्रांजिएंट थर्मल टेस्टर के साथ डायनोड बेंच पर चलाते हैं, तो परिणाम अक्सर चौंकाने वाला होता है: जंक्शन तापमान (Tj) वृद्धि "परफेक्ट" नियंत्रण इकाई के 2°C के भीतर होती है। डाई केंद्र पर उत्पन्न गर्मी का एक सीधा, अवरुद्ध तांबे का मार्ग लीडफ्रेम तक होता है। परिधीय voids थर्मल रूप से अप्रासंगिक हैं क्योंकि गर्मी को बचने के लिए उन किनारों से होकर गुजरने की आवश्यकता नहीं थी।

इसके विपरीत, आपके पास केवल 8% कुल voiding वाला एक भाग हो सकता है—किसी भी मानक द्वारा "पास"—जहाँ वह एकल void डाई के हॉटस्पॉट के ठीक नीचे फंसा हुआ एक बड़ा बुलबुला है। वह स्थानीयकृत इन्सुलेशन एक विशाल थर्मल बाधा बनाता है, जिससे करंट क्राउडिंग होती है और Tj में तेजी से वृद्धि होती है जिसे कोई भी डेटा शीट मार्जिन कवर नहीं कर सकता। प्रतिशत कम है, लेकिन विश्वसनीयता जोखिम महत्वपूर्ण है।

यहाँ उद्योग की सरल संख्याओं के प्रति जुनून विफल हो जाता है। void प्रतिशत और थर्मल प्रतिरोध के बीच संबंध रैखिक नहीं है; यह ज्यामितीय है और विशिष्ट पैकेज वास्तुकला (जैसे, LFPAK बनाम D2PAK) पर अत्यधिक निर्भर है।

इस समस्या को हल करने के लिए सिल्वर सिंटरिंग जैसी जादुई गोली की तलाश करना लुभावना हो सकता है, यह मानते हुए कि एक घना, शून्य-मुक्त सामग्री समस्या को ठीक कर देगी। लेकिन जबकि सिंटरिंग उच्च तापीय चालकता प्रदान करता है, यह अपने स्वयं के समस्याएं लाता है, विशेष रूप से बड़े क्षेत्र के डाइज़ पर इंटरफेस डेलैमिनेशन के आसपास। यदि आप अपने हीट फ्लो की भूगोल को समझे बिना सामग्री बदलते हैं, तो आप केवल एक विफलता मोड को एक अधिक महंगे विफलता मोड के लिए बदल रहे हैं।

शून्य-शून्यता विरोधाभास

“परफेक्ट” सोल्डर जॉइंट की खोज का एक अंधेरा पक्ष है, जो अक्सर कठोर थर्मल साइकलिंग (-40°C से 125°C) से निपटने वाली टीमों को चौंका देता है।

मैंने उच्च विश्वसनीयता वाले ट्रैक्शन मॉड्यूल के फील्ड रिटर्न का विश्लेषण किया है जहाँ फैक्ट्री से एक्स-रे निरीक्षण डेटा ने DBC (डायरेक्ट बॉन्डेड कॉपर) सब्सट्रेट्स पर लगभग शून्य voiding दिखाया था। वे निर्दोष दिखते थे। फिर भी, फील्ड में, सोल्डर जॉइंट्स समय से पहले क्रैक और थकावट हो गए। जांच में पता चला कि voids की कमी वास्तव में एक बहुत पतली बॉन्डलाइन का लक्षण थी।

voids को खत्म करने की जल्दी में, प्रक्रिया को पैकेज को कसकर दबाने के लिए समायोजित किया गया था, जिससे लगभग कोई सोल्डर स्टैंडऑफ ऊंचाई नहीं बची जो एक यांत्रिक बफर के रूप में काम कर सके। सोल्डर एक लचीला पदार्थ है; इसे कठोर सिलिकॉन/लीडफ्रेम और PCB के बीच थर्मल विस्तार गुणांक (CTE) असंगति को अवशोषित करने के लिए मात्रा की आवश्यकता होती है।

जब आप बॉन्डलाइन को दबाकर “शून्य voids” प्राप्त करते हैं, तो आप उस तनाव राहत को हटा देते हैं। थोड़ी मात्रा में वितरित voiding वास्तव में क्रैक प्रसार को रोक सकती है, जो जाल में तनाव विराम के रूप में कार्य करती है। एक पूरी तरह से ठोस, सूक्ष्म रूप से पतली जॉइंट सभी यांत्रिक तनाव को सीधे इंटरमेटैलिक परतों तक पहुंचाती है, जिससे थकावट क्रैक होते हैं जो थर्मल पथ को कुछ बुलबुलों की तुलना में कहीं अधिक तेज़ी से काट देते हैं। शून्य लक्ष्य नहीं है; अक्सर, एक परफेक्ट शून्य-void जॉइंट केवल एक नाजुक विफलता है जो होने की प्रतीक्षा कर रही है।

अनुमान लगाना बंद करें, मापना शुरू करें

यदि आप एक्स-रे प्रतिशत पर भरोसा नहीं कर सकते, तो आप प्रक्रिया को कैसे मान्य करते हैं? आपको 2D छायाओं को देखना बंद करना होगा और गतिशील थर्मल प्रतिक्रिया को मापना शुरू करना होगा। स्थैतिक थर्मल प्रतिरोध (Rth) उपयोगी है, लेकिन ट्रांज़िएंट थर्मल इम्पीडेंस (Zth) सच्चाई बताने वाला है। JEDEC JESD51-14 में वर्णित विधियों का उपयोग करके, विशेष रूप से डुअल-इंटरफेस विधि, आपको समय में स्टैकअप के माध्यम से गर्मी के प्रसार को देखने की अनुमति मिलती है।

T3Ster या समान उपकरण द्वारा उत्पन्न संरचना फ़ंक्शन वक्र का विश्लेषण करके, आप ठीक-ठीक पता लगा सकते हैं कि थर्मल बाधा कहाँ हो रही है। आप डाइ-अटैच इंटरफेस पर void और कॉपर-टू-FR4 परत पर डेलैमिनेशन के बीच अंतर कर सकते हैं। यह साबित करने का एकमात्र तरीका है कि void "इन्सुलेटिंग" (पथ को अवरुद्ध करना) है या "अप्रासंगिक" (एक मृत क्षेत्र में बैठा है)।

यह लैब उपकरणों में निवेश और जटिल वक्रों की व्याख्या करने के लिए धैर्य की आवश्यकता होती है, लेकिन यह बातचीत को "यह बदसूरत दिखता है" से "यह 15°C अधिक गर्म चलता है" में बदल देता है। यह वह डेटा है जिसे आप ग्राहक या अनुपालन अधिकारी के पास मानक विनिर्देशों से विचलन को न्यायसंगत ठहराने के लिए ले जा सकते हैं।

निकास का इंजीनियरिंग

अपने void नंबरों को कम करने के लिए वैक्यूम रिफ्लो ओवन खरीदने के लिए प्रबंधन से आधा मिलियन डॉलर मांगने से पहले, अपने स्टेंसिल डिज़ाइन को देखें। वैक्यूम रिफ्लो एक शक्तिशाली उपकरण है, लेकिन इसे अक्सर खराब प्रक्रिया इंजीनियरिंग के लिए सहारा के रूप में उपयोग किया जाता है। बड़े थर्मल पैड में voiding का सबसे सामान्य कारण सरल गैस फंसा होना है—फ्लक्स से निकलने वाले वाष्पशील पदार्थों के लिए सोक चरण के दौरान कहीं जाने का रास्ता नहीं होता।

अक्सर, आप voiding को असफल 35% से सफल 15% तक केवल एपर्चर डिज़ाइन को एक बड़े ब्लॉक से “विंडो-पेन” ग्रिड में बदलकर कम कर सकते हैं। यह सोल्डर के लिक्विडस होने से पहले फ्लक्स के आउटगैसिंग के लिए चैनल बनाता है। इसे प्रोफ़ाइल अनुकूलन के साथ मिलाएं—सोक समय को समायोजित करें ताकि पूर्ण वाष्पशील सक्रियण सुनिश्चित हो—और आप अक्सर समस्या को एक नए स्टेंसिल ($300) की लागत पर हल कर सकते हैं बजाय एक नए ओवन ($500k) के।

अंततः, आपका लक्ष्य एक प्रक्रिया विनिर्देश लिखना है जो वास्तविकता को दर्शाता हो। जब तक आपको अपने कॉन्ट्रैक्ट निर्माता के साथ बहस करना पसंद न हो, तब तक IPC क्लास 3 सीमाओं को अपने मास्टर ड्राइंग में कॉपी-पेस्ट न करें। अपने विशिष्ट पावर डेंसिटी के भौतिकी के आधार पर अपने मानदंड परिभाषित करें:

1. महत्वपूर्ण क्षेत्र परिभाषित करें: निर्दिष्ट करें कि डाइ थर्मल पैड (हॉटस्पॉट) के नीचे के voids को परिधीय voids की तुलना में अधिक महत्व दिया जाए।
2. बॉन्डलाइन नियंत्रण अनिवार्य करें: तनाव विफलताओं को रोकने के लिए न्यूनतम स्टैंडऑफ ऊंचाई सेट करें।
3. सत्यापन के लिए Zth का उपयोग करें: थर्मल ट्रांज़िएंट परीक्षण का उपयोग करके प्रक्रिया को योग्य बनाएं, फिर केवल प्रक्रिया मॉनिटर के रूप में एक्स-रे का उपयोग करें ताकि कुछ भी विचलित न हो।

विश्वसनीयता का मतलब है यह सुनिश्चित करना कि डिवाइस काम करता है, न कि स्टॉक फोटो के लिए एक्स-रे को पॉलिश करना।