जब ENIG चुपचाप QFN थर्मल पैड वॉयडिंग का समाधान करता है

क्षेत्र में वापस लौटने वाली समस्याओं में अक्सर वही शांत विफलता मिलती है: QFN पैकेज के थर्मल पैड के नीचे खाली जगहें। उत्पाद प्रारंभिक परीक्षण में पास हो गया, ग्राहकों को भेजा गया, और फिर स्थायी तापीय लोड के अंतर्गत विफल होने लगा। इंजीनियरिंग प्रबंधकों के लिए मूल कारण विश्लेषण की समीक्षा करते समय, निदान निरंतर निराशाजनक है। बड़े तांबे के थर्मल पैड पर अधूरी सोल्डर वेटिंग ने खाली जगहें बनाईं, जिससे गर्मी स्थानांतरण खराब हुआ, और इससे समय से पहले घटक विफल हो गए। प्रतिक्रिया में रीफलो प्रोफ़ाइल को ट्यून करना या स्टेंसिल एपर्चर को समायोजित करना शामिल है, लेकिन ये तो गहरे घाव पर बंधने वाले पट्टियाँ हैं।

सबसे overlooked चर सतह समाप्ति है। जहां HASL थर्मल पैड खाली करने की स्थिति बनाता है, वहीं ENIG उन्हें पहले ही बनने से रोक देता है। अंतर आदर्श प्लेटिंग रासायनिकता का नहीं, बल्कि ठोस यांत्रिक वास्तविकता का है: समाप्त सतह की प्लैनेरिटी यह निर्धारित करती है कि क्या सोल्डर पूरी तरह से वेट कर सकता है और रीफलो के दौरान फ्लक्स कैसे निकल सकता है। उन फाइन-पिच, उच्च-थर्मल बोर्डों पर जहां QFN सामान्य हैं, यह भिन्नता विश्वसनीय उत्पादन और महंगाई से भरे क्षेत्र में विफलताओं के बीच रेखा बन जाती है।

इस भिन्नता को समझना महत्वपूर्ण है। ENIG के समर्थन में तर्क पूर्णता का पीछा करने के बारे में नहीं है; यह जोखिम का प्रबंधन करने के बारे में है। यह बोर्ड की लागत में मामूली वृद्धि के खिलाफ तापीय अस्थिरता, स्टेंसिल डिज़ाइन समझौता, और क्षेत्र में विफलताओं की प्रमुख, अपरिवर्तनीय लागतों का वजन करने के बारे में है।

क्यों QFN थर्मल पैड में रिक्त स्थान विकसित होते हैं

QFN पैकेजों में हीटिंग को प्रभावी ढंग से डिसिपेट करने के लिए बड़े केंद्रीय थर्मल पैड का उपयोग किया जाता है, जो PCB में हीट को छिटकाने के लिए होता है। यह पैड, जो अक्सर कई मिलीमीटर वर्ग का होता है, मूल रूप से छोटे परिधि सिग्नल पैड से भिन्न होता है। यह एक एकल, सतत तांबे का क्षेत्र है जिसे डाय से बोर्ड तक कम प्रतिरोध वाला थर्मल मार्ग बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। जबकि थर्मल प्रदर्शन के लिए आवश्यक है, इसके आकार और सततता से असेंबली के दौरान सोल्डर पेस्ट के लिए एक चुनौतीपूर्ण वातावरण बनता है।

रीफलो के दौरान, इस पैड पर सोल्डर पेस्ट बदल जाती है। पेस्ट—सोल्डर स्फेरो का मिश्रण जो फ्लक्स में सस्पेंड होता है—गर्म होता है, और फ्लक्स मेटल सतहों को साफ करने के लिए सक्रिय हो जाता है, इससे पहले कि यह वाष्पीकृत हो जाए। उसके बाद सोल्डर स्फेरो एक पिघली हुई पूल में गिर जाती है। छोटे संकेतक पैड के लिए, यह प्रक्रिया सरल है। पेस्ट का आकार छोटा होता है, पिघला हुआ सोल्डर जल्दी से ताम्बे को वेट करता है, और वाष्पीकृत फ्लक्स आसानी से पैड के किनारों से निकल जाता है।

थर्मल पैड एक दूसरी कहानी है। इसका बड़ा क्षेत्र अधिक पेस्ट की आवश्यकता है, जिसका अर्थ है अधिक फ्लक्स और आउटगैसिंग के लिए लंबी रास्ता। जैसे ही सोल्डर गिरता है, यह पूरे पैड सतह को एक साथ वेट करने का प्रयास करता है। यदि सतह की ज्यामिति असमान है या सोल्डर गैर-समान्य रूप से वेट करता है, तो फ्लक्स के पर्स बन सकते हैं जो ठोस हो रहे धातु के नीचे फंस जाते हैं। ये फंसी हुई झोपड़ियाँ रिक्त स्थान हैं, और ये सौंदर्य दोष नहीं हैं। प्रत्येक एक QFN और PCB के बीच प्रभावी संपर्क क्षेत्र को कम करता है, जिससे उच्च थर्मल प्रतिरोध वाले स्थानीय गर्म क्षेत्र बनते हैं। टिकाऊ संचालन के तहत, ये गर्म क्षेत्र घटक के क्षरण को तेज कर देते हैं, सीधे क्षेत्र में विफलताओं की ओर ले जाते हैं जिन्हें इंजीनियरिंग टीमें रोकने के लिए वेतन प्राप्त करती हैं।

शून्यता का निर्माण यादृच्छिक नहीं है। यह कैसे सोल्डर एक सतह को घुसता है और कैसे फ्लक्स रिफ्लो के दौरान आपातकालीन जाल में भागकर निकलता है, का सीधा परिणाम है—दोनों ही सतह की फिनिश द्वारा नियंत्रित होते हैं।

सतह समाप्ति विभाजन: प्लैनेरिटी छुपे हुए चर के रूप में

ENIG और HASL के बीच मुख्य भिन्नता कोई सूक्ष्म सामग्री विज्ञान का नृशंस पहलू नहीं है; यह सतह ज्यामिति का मामला है। HASL एक ऐसी सतह बनाता है जो खांचेदार, असमान, और मोटाई में अत्यधिक भिन्न है। ENIG एक ऐसी सतह बनाता है जो अनुकूलनीय, समान और सूक्ष्म-मीटर टोलरेन्स के भीतर सपाट है। यह योजना बनाम्यता ENIG के QFN थर्मल पैड पर श्रेष्ठ प्रदर्शन का मूल कारण है।

HASL (हॉट एयर सोल्डर लेवलिंग) का प्रयोग एक प्रिंट प्लेट को पिघले सोल्डर में डुबोकर और गर्म हवा के चाकुओं से अतिरिक्त सोल्डर को उड़ा कर किया जाता है। परिणाम एक परत है जो आधार धातु कॉपर का अनुसरण करती है लेकिन महत्वपूर्ण टोपोग्राफिक परिवर्तन के साथ। मोटाई 1 से 40 माइक्रोन तक हो सकती है, और सतह में हवा की लेवलिंग से पैदा हुए तरंगित बनावट होती है। छोटे पैड पर, यह असमानता अक्सर महत्वहीन होती है। बड़े थर्मल पैड पर, खांचेदार टोपोलॉजी एक पहाड़ियों और घाटियों का परिदृश्य बनाती है जहां पिघला हुआ सोल्डर पसरणे में संघर्ष करता है और फ्लक्स गैसों के निकलने का रास्ता नहीं होता। सतह खुद एक बाधा के रूप में काम करता है, फंसते हुए फ्लक्स को कम-उच्च जगहों में फंसाता है क्योंकि सोल्डर कठोर हो रहा होता है। ये फंसे区域 शून्य बन जाते हैं।

ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) एक प्लेटिंग प्रक्रिया है। एक पतली परत निकेल की रासायनिक रूप से तांबे पर जमा की जाती है, उसके बाद सोने की सुरक्षात्मक परत लगाई जाती है। यह प्रक्रिया अंतःप्रवाह योग्य है, तांबे की सतह का निर्बाध रूप से पालन करते हुए लगभग पूरी सटीकता के साथ निकेल की केवल 3 से 5 माइक्रोन परत और सोने के अंश को जोड़ते हुए। परिणामी सतह सिर्फ चिकनी नहीं है; यह अपेक्षाकृत समतल भी है। इसमें कोई scallops नहीं हैं, कोई मोटाई ग्रेडिएंट्स नहीं हैं, और कोई टोपोग्राफिक बाधाएँ सोल्डर प्रवाह के लिए नहीं हैं।

यह समतलता सीधे यांत्रिक परिणाम रखती है। रीफ्लो के दौरान, एक समान ENIG सतह पर पिघला सोल्डर रेडियल और समान रूप से गीला हो जाता है। फ्लक्स, जो कम घना होता है, पाड़ के किनारों की तरफ बाहर धकेला जाता है जहां यह स्वतंत्र रूप से वाष्पीकृत हो सकता है। सोल्डर निकेल के साथ पूरा संपर्क करता है, जिससे ऐसी जगहें नहीं बनतीं जहां फ्लक्स फंसे। वही सोल्डर पेस्ट एक HASL सतह पर एक जटिल परिदृश्य का सामना करता है जहां फ्लक्स घाटियों में फंस जाता है इससे पहले कि वह भाग सके। अंतर मापने योग्य है: ENIG थर्मल पैड्स आमतौर पर 5% से नीचे वायड प्रतिशत दिखाते हैं, जबकि उसी असेंबली पर HASL पैड अक्सर 20% से 30% तक जाते हैं।

HASL की मोटाई में भिन्नता वायडिंग को कैसे बढ़ाती है

बारीक-पिच लेआउट्स HASL की अनियमितता को और भी अधिक समस्या बना देते हैं। जब सिग्नल पैड करीबी दूरी पर होते हैं, तो सोल्डर के पुलिंग का खतरा बढ़ जाता है। इसे कम करने के लिए, इंजीनियर अक्सर स्टेनसिल की मोटाई को कम कर देते हैं या एपर्चर के आकार को संकुचित कर देते हैं ताकि पेस्ट कम जमा हो सके। यह छोटे सिग्नल पैड्स के लिए एक प्रबंधनीय व्यापार है, लेकिन यदि एक ही स्टेनसिल पूरे बोर्ड पर उपयोग किया जाता है तो यह थर्मल पैड को भूखा कर देता है।

HASL की पहले से ही अनियमित सतह पर पतली पेस्ट जमा अप्रभावीता को बढ़ाता है। घाटियों में फंसे फ्लक्स की संभावना बढ़ जाती है क्योंकि पिघला सोल्डर कम उपलब्ध होता है, जिससे सतह पर पूर्ण वेगिंग का मौका कम हो जाता है। परिणामस्वरूप, HASL पर बारीक पिच बोर्ड पर वायडिंग अधिकतम हो जाती है — खासकर वे बोर्ड जहां तापीय प्रदर्शन सबसे जरूरी है। ENIG की समतल सतह इस जटिलता को खत्म कर देती है। इसकी समान टोपोलॉजी पूरी वेगिंग की अनुमति देती है यहां तक कि कम पेस्ट वॉल्यूम में भी, जिससे स्टेनसिल डिजाइन का संतुलन आसान हो जाता है।

तापस्थानांतरण स्थिरता और दीर्घकालिक विश्वसनीयता

एक थर्मल पैड का एकमात्र उद्देश्य हीट को QFN डाइ से पीसीबी तक स्थानांतरित करना है, जहां इसे तांबे के प्लेन या हीट सैंक से वितरित किया जा सकता है। इस स्थानांतरण की दक्षता सोल्डर ज्वॉइंट की थर्मल चालकता और भौतिक संपर्क की पूर्णता पर निर्भर करती है। वायड्स दोनों को ही क्षति पहुंचाते हैं।

प्रत्येक वायड एक शून्य थर्मल चालकता का द्वीप है। हीट को इसके चारों ओर से प्रवाहित होना पड़ता है, जिससे स्थानिक रूप से थर्मल प्रतिकार बढ़ता है। एक बड़ा वायड या छोटे वायड्स का समूह एक घटक का जंक्शन तापमान कई डिग्री सेल्सियस तक बढ़ा सकता है उपयोग के दौरान। उच्च पावर उपकरणों या उनके थर्मल लिमिट्स के पास काम करने वाले घटकों के लिए, यह वृद्धि विश्वसनीय संचालन और तेज़ पहनाव के बीच का फर्क होती है। एक घटक प्रारंभिक कार्यात्मक परीक्षण पास कर सकता है, लेकिन क्षेत्र में निरंतर थर्मल साइकलिंग सोल्डर थकान, इंटरमेटालिक वृद्धि या तीव्र तापमान रनवे की ओर ले जाएगी।

ENIG का कम वायडिंग प्रदर्शन उत्पाद के जीवनकाल में स्थिर, अनुमानित थर्मल प्रतिरोध प्रदान करता है। रिफ्लो के दौरान निर्मित समान निकेल-सोल्डर इंटरफेस मजबूत होता है, और असेंबली के समय वायड्स को रोकने वाली योजना सतह पूर्ण संपर्क सुनिश्चित करती है। इसके विपरीत, HASL जॉइंट्स अक्सर कमजोर थर्मल संपर्क से शुरू होते हैं और अधिक जटिलता से भरे हुए इंटरमेटालिक वृद्धि को प्रोत्साहित कर सकते हैं। सख्त थर्मल आवश्यकताओं वाली बोर्ड्स जैसे LED ड्राइवर्स, पावर कनवर्टर्स या RF एम्प्लीफायर्स के लिए, सतह की फिनिश अहम होती है। यह तय करता है कि थर्मल डिज़ाइन जैसा मॉडलिंग प्रदर्शन करेगा।

ENIG के लिए स्टेंसिल विंडो रणनीतियाँ

ENIG की सतह योजना थर्मल प्रदर्शन के लिए विशेष रूप से स्टेनसिल डिज़ाइन को अनुकूलित करने के अवसर खोलती है। समतल सतह सोल्डर पेस्ट को एपर्चर से साफ़ रूप से मुक्त करने देती है, जिससे तेज़ वेंडोज़ निर्माण संभव होता है जो HASL पर असुरक्षित होंगे।

मुख्य पैरामीटर क्षेत्र अनुपात है, जो एपर्चर खोलने के क्षेत्र को एपर्चर दीवार क्षेत्र से विभाजित किया गया है; अच्छा पेस्ट रिहाई के लिए 0.5 से 0.6 का अनुपात सामान्य न्यूनतम है। ENIG की चिकनी सतह रिफ्लेक्शन को कम करती है, जिससे यदि आवश्यक हो तो कम क्षेत्र अनुपात का उपयोग करना संभव हो। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि यह 'विंडोजपेन' पैटर्न्स को सक्षम बनाता है — बड़े थर्मल पैड एपर्चर को छोटे उद्घाटनों के ग्रिड में विभाजित करना — बिना रफ HASL सतह के संभावित रिलीज़ फेल्योर के।

विंडोज्ड स्टेनसिल दो स्पष्ट लाभ प्रदान करते हैं। पहला, ये प्रत्येक उद्घाटन की परिधि-से-क्षेत्र अनुपात बढ़ाकर पेस्ट रिलीज़ की स्थिरता सुधारते हैं। दूसरा, ये कई अलग-अलग सोल्डर जमा पैदा करते हैं जो रिफ्लो के दौरान मिलते हैं, जिससे फ्लक्स के लिए अधिक चैनल उपलब्ध हो जाते हैं। 5mm के थर्मल पैड के लिए एक सामान्य रणनीति है 3×3 या 4×4 स्क्वायर एपर्चर का ग्रिड, जो कुल पैड क्षेत्र के 80% से 90% तक कवर करता है। वर्गों के बीच के अंतराल फ्लक्स के वेंट्स बनते हैं जब रिफ्लो की महत्वपूर्ण गिरने वाली अवस्था में।

यह रणनीति ENIG की समतलता पर निर्भर है। HASL पर, scalloped सतह विंडोज़पैन के बीच असंतुलित पेस्ट रिलीज़ का कारण बनेगी, जिससे असमान सोल्डर जमा होंगे और, विरोधाभास के रूप में, अधिक वायड्स बनेंगे। ENIG स्टेनसिल को वैरिएबिलिटी के बजाय वायड्स को कम करने के उपकरण के रूप में उपयोग करने की अनुमति देता है।

हालांकि अन्य समतल फिनिश जैसे OSP या Immersion Silver समान स्टेनसिल रिलीज़ लाभ प्रदान करते हैं, वे ENIG की मजबूती को नहीं पकड़ते। यदि बोर्ड शीघ्रता से असेंबल नहीं किए जाते हैं तो OSP ऑक्साइड हो सकता है, और Immersion Silver टर्नशिप से धुंधला या कई रिफ्लो साइकल से क्षतिग्रस्त हो सकता है। ENIG की सोने की परत स्थिर, सोल्डर योग्य सतह प्रदान करती है जो हैंडलिंग, विलंब और पुनर्चक्रण का सामना कर सकती है।

स्विचिंग की असली लागत

खर्च सबसे आम आपत्ति है ENIG केAgainst, और इसका सटीक उत्तर देना जरूरी है। जबकि ENIG, HASL की तुलना में, प्रति बोर्ड अधिक महंगा है, लेकिन अंतर छोटा है और अधिक संदर्भ-निर्भर है जितना कि बहुत से मानते हैं। छोटी से मध्यम मात्रा के उत्पादन (100 से 5000 बोर्डों की श्रृंखला) के लिए, अतिरिक्त लागत सेंट या डॉलर में मापी जा सकती है, प्रतिशत में नहीं।

सामान्यतः, ENIG HASL के मुकाबले प्रति वर्ग फुट बोर्ड क्षेत्र में लगभग $1.50 से $3.00 जोड़ता है। 100mm x 100mm बोर्ड के लिए, यह लगभग $0.20 से $0.40 प्रति बोर्ड अनुवादित होता है। 500 बोर्डों की श्रृंखला पर, कुल भिन्नता $100 से $200 है। 5000 बोर्डों की श्रृंखला पर, यह $1,000 से $2,000 तक है। ये वास्तविक खर्च हैं, लेकिन ये सीमित और पूर्वानुमेय हैं।

हालांकि, एकल क्षेत्र वापसी की लागत नहीं है। RMA प्रसंस्करण, विफलता विश्लेषण, प्रतिस्थापन इकाइयां, और प्रतिष्ठान क्षति हर घटना पर हजारों डॉलर में आसानी से चल सकते हैं, जो संपूर्ण उत्पादन रन के लिए कुल ENIG अधिभार से बहुत कम हैं। यदि ENIG तापीय पैड शून्यता के कारण एक भी क्षेत्र विफलता को समाप्त कर देता है, तो निवेश अपने आप में ही भुगतान करता है। उच्च शक्ति घटकों वाले उत्पादों या उन मामलों के लिए जहां मांग वाली पर्यावरण में तैनात किया गया है, HASL पर शून्यता-संबंधित विफलता की संभावना महत्वहीन नहीं है। ENIG उस संभावना को शून्य के करीब ले जाता है।

कम शक्ति अनुप्रयोगों के लिए जहां QFN अपनी तापीय सीमाओं से बहुत नीचे कार्य करता है, या असंवेदनशील उत्पादों के लिए जहां कभी-कभी विफलताएं सहनीय हैं, HASL एक स्वीकृत विकल्प हो सकता है। शून्यता अभी भी होगी, लेकिन यदि तापीय मार्जिन पर्याप्त बड़ा है, तो घटक इसके बावजूद कार्य करेगा। यह एक जोखिम गणना है, न कि तकनीकी समानता। ENIG उस जोखिम को समाप्त करता है; HASL को इसे सहन करने के लिए मार्जिन की जरूरत होती है।

नेतृत्व के सामने मामला बनाना

ENIG के पक्ष में तर्क यह नहीं है कि यह एक “प्रीमियम” फिनिश है। तर्क यह है कि यह एक विशिष्ट, पूर्वानुमान योग्य विफलता मोड का समाधान करता है जिसे HASL नहीं कर सकता। कारण श्रृंखला सीधे है: HASL की खांचे वाली टोपोलॉजी फ्लक्स को फँसाती है, जिससे QFN तापीय पैड के नीचे शून्य बनते हैं। ये शून्य गर्मी हस्तांतरण को कम करते हैं, जंक्शन तापमान बढ़ाते हैं और क्षेत्र में घटकों की विफलता का कारण बनते हैं। ENIG की अभिवचन योजना फ्लक्स को निकलने की अनुमति देती है और सोल्डर पूरी तरह से वेट हो जाता है, शून्यों को समाप्त कर देती है और तापीय स्थिरता सुनिश्चित करती है।

जब इसे नेतृत्व के सामने प्रस्तुत किया जाता है, तो इसका ढांचा जोखिम न्यूनीकरण है। ENIG की मामूली लागत एक निवेश है ताकि क्षेत्र में रिटर्न, वारंटी दावों और पुनःडिजाइन की बहुत बड़ी, अनिश्चित लागत से बचा जा सके। तंत्रिका सिद्ध है, लागत अंतरों में छोटा है, और विकल्प यह है कि आप एक ज्ञात दोष तंत्र को स्वीकार करें और आशा करें कि आपका तापीय मार्जिन इसे अवशोषित करने के लिए पर्याप्त है।

उच्च-तापमान वाली, उच्च-टीप बोर्डों पर जहां QFN आवश्यक हैं, आशा एक भरोसेमंद अभियांत्रिक रणनीति नहीं है।