एक्स-रे शून्यता विश्लेषण: IPC वर्ग से मेल खाने वाले मानदंड

मैन्युफैक्चरिंग का रॉर्शाच टेस्ट

जब आप पहली बार एक ग्रेस्केल एक्स-रे छवि देखते हैं, तो आपकी सहज प्रतिक्रिया आमतौर पर चिंता पैदा करती है। आप एक काले वृत्त (सोल्डर बॉल) देखते हैं जिसमें हल्के, अनियमित धब्बे होते हैं। यह एक बीमारी, स्पंज, या—अज्ञात के लिए—एक दोष हो सकता है जिसे दूर करना जरूरी है।

हालांकि, जांच कक्ष में हम सौंदर्यशास्त्र के लिए नहीं निरीक्षण करते; हम भौतिकी के लिए निरीक्षण करते हैं। वे हल्के धब्बे वॉइड हैं—गैस के फाड़े हुए जेबें, जो रिफ्लो प्रक्रिया के दौरान फंसी रहती हैं। ये बदसूरत हैं, हाँ। लेकिन अधिकांश मामलों में, ये संरचनात्मक रूप से हानिकारक हैं।

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माण में चुनौती “पूर्ण” वॉइड-फ्री सोल्डर जॉइन प्राप्त करना नहीं है, जो एक अत्यंत खर्चीला और अक्सर हानिप्रद प्रयास है। चुनौती यह है कि सौंदर्यशास्त्र वाले वॉइड और संरचनात्मक वॉइड के बीच भेद करना जो क्षेत्र में दस साल तक टिकेगा और जो थर्मल तनाव के तहत टूट जाएगा। इसे समझने के लिए, हमें “बुरा” छवियों के प्रति गट प्रतिक्रिया को अनदेखा करना होगा और पूरी तरह से IPC-A-610 में परिभाषित क्षेत्र अनुपातों पर भरोसा करना होगा।

25% नियम

इलेक्ट्रॉनिक असेंबली स्वीकार्यताओं के लिए औद्योगिक मानक, IPC-A-610, वॉइडिंग के मामले में आश्चर्यजनक रूप से सहनशील है। चाहे आप क्लास 2 उत्पाद (लैपटॉप, औद्योगिक नियंत्रण) या क्लास 3 उत्पाद (जीवन रक्षा, एयरोस्पेस) बना रहे हों, बीजीए वॉइडिंग के मानदंड अक्सर समान होते हैं। IPC-A-610 और इसके साथी J-STD-001 के अनुसार, एक सोल्डर बॉल स्वीकार्य है यदि कुल वॉइड क्षेत्र कुल गेंद क्षेत्र का 25% से अधिक न हो।

यह संख्या आमतौर पर लोगों को चौंका देती है। एक 25% वॉइड मॉनिटर पर बहुत बड़ा दिखता है—जैसे कनेक्शन का एक चौथाई हिस्सा गायब है। लेकिन भौतिकी एक अलग कहानी कहती है। सोल्डर पेस्ट, विशेष रूप से मानक SAC305 अवशोषक मिश्र धातुएं, में फ्लक्स वोलाटाइल्स होते हैं जिन्हें रिफ्लो के दौरान गैसें निकलनी चाहिए। यदि लिक्विडस पर समय कम है, या यदि घटक भारी है, तो कुछ गैस फंस जाती है। यह स्वाभाविक है। सोल्डर मात्रा का शेष 75% विद्युत करंट ले जाने और यांत्रिक झटके को सहन करने के लिए अधिक पर्याप्त है।

वास्तव में, आंतरिक अध्ययन और उद्योग की विश्वसनीयता डेटा दिखाते हैं कि 15–20% वॉइडिंग वाले बीजीए बॉल्स उतने ही थर्मल सायकल जिता सकते हैं जितने कि 1% वॉइडिंग वाले।

एक आंदोलन है, अक्सर उच्चतर श्रेणी के विशिष्ट निर्माताओं द्वारा प्रेरित, जो कि किसी भी _VOID_ असफलता है। आप वैक्यूम रिफ्लो ओवन के लिए तर्क सुन सकते हैं, जो सोल्डरिंग के दौरान बुलबुले गिरने के लिए चैंबर से वातावरण को बाहर निकालते हैं। यदि आप एक गहरे अंतरिक्ष उपग्रह के लिए बना रहे हैं जहां मरम्मत असंभव है, तो वैक्यूम रिफ्लो एक मान्य, हालांकि महंगी, आवश्यकता है। इलेक्ट्रॉनिक्स के अन्य 99% के लिए, शून्य voids का पीछा करना पैसा और थर्मल बजट की बर्बादी है। एक बोर्ड को कई रीवर्क हीट साइकिलों से गुजरना एक अनुकूल 15% void को ठीक करने के लिए लैमिनेट और कॉपर पैड के लिए अधिक नुकसान करता है बजाए कि void कभी भी करे।

स्वीकृति की ज्यामिति

निरीक्षण एक ज्यामितीय गणना है, वाइब चेक नहीं। जब एक ऑटोमेटेड एक्स-रे निरीक्षण (AXI) मशीन या एक मानवीय ऑपरेटर एक BGA की समीक्षा करता है, तो कार्य होता है बॉल के सापेक्ष खाली जगह के प्रोजेक्ट क्षेत्र की गणना करना। यह एक सरल अनुपात है: (Void क्षेत्रों का योग) / (कुल बॉल क्षेत्र)। यदि बॉल का व्यास 20 मिल है, तो हम प्रकाश स्पॉट्स की पिक्सेल गणना और गहरे वृत्त की तुलना कर रहे हैं।

हालाँकि, voids अक्सर सही वृत्त नहीं होते हैं। वे अक्सर "स्विस चीज़" के रूप में दिखाई देते हैं—छोटे बुलबुले का समूह मिलते और अलग होते रहते हैं। इन अनियमित आकृतियों का सटीक क्षेत्र गणना एक अनुमान है, यहाँ तक कि उन्नत एल्गोरिदम के लिए भी। मशीन void समूहों के चारों ओर एक परिधि खींचती है और उन्हें जोड़ती है।

जब परिणाम सीमा पर होता है—मान लीजिए, 24% या 26%—मानव निर्णय महत्वपूर्ण हो जाता है। हमें चित्र की सटीकता देखनी होती है। क्या वह एक बड़ा खाली स्थान है, या छोटे समूहों का एक समूह है? मानक संचित गणना की अनुमति देता है, यानी बहुत छोटे बुलबुले एक बड़े के समान गिने जाते हैं, यदि वे स्थान के नियम का उल्लंघन नहीं करते।

थर्मल पैड अपवाद (QFN/BTC)

सिंकेतों से दूर जब हम थर्मल पैड्स में जाते हैं, तो मापदंड तेजी से बदलते हैं। QFNs (Quad Flat No-leads) और दूसरी बॉटम टर्मिनेशन कॉम्पोनेंट्स (BTCs) जैसे घटकों में केंद्र में एक बड़ा एक्सपोज्ड पैड है, जो मुख्य रूप से गर्मी विकिरण के लिए है, न कि विद्युत संकेत के लिए। चूंकि यह एक बड़ा, सपाट सतह है जो PCB पर मेल खाने वाला बड़ा, सपाट पैड के साथ सोल्डर किया गया है, तो गैस का निकलना कहीं नहीं है। इसे ऐसी कल्पना करें जैसे पिज़्ज़ा का आटा फैला देना बिना किसी एयर बुलबुले को फंसाए; यह लगभग असंभव है।

इसके परिणामस्वरूप, इन थर्मल पैड्स के लिए IPC सीमा काफी अधिक है, आमतौर पर 50% voiding की अनुमति देती है। इंजीनियर अक्सर घबरा जाते हैं जब वे एक हनीकॉम्ब जैसी दिखने वाले QFN थर्मल पैड देखते हैं, इसे अस्वीकार कर देते हैं। लेकिन यदि वह पैड 50% सोल्डर किया गया है, तो थर्मल ट्रांसफर दक्षता आमतौर पर घटक के रेटिंग के लिए पर्याप्त होती है। जबकि TI या एनालॉग डिवाइसेस जैसे निर्माताओं की डेटा शीट्स कभी-कभी उच्च शक्ति RF अनुप्रयोगों के लिए सख्त सीमाएँ निर्दिष्ट करती हैं, 50% सामान्य डिजिटल लॉजिक के लिए मानक है।

अगर आप लगातार इन थर्मल पैड्स में विशाल voids देख रहे हैं—मान लीजिए, 60% या अधिक—तो समस्या शायद रीफ्लो प्रोफ़ाइल की नहीं है। यह लगभग हमेशा नक़्शा डिज़ाइन की समस्या है। एक 1:1 अपर्चर ओपनिंग (जहां नक़्शे में छिद्र उसी आकार का होता है जैसे पैड) बहुत सारी पेस्ट जमा कर देता है, जो वालाइट्स को केंद्र में बंद कर देता है। समाधान ओवन को ट्यून करना नहीं है, बल्कि एक "विंडो-पेन" नक़्शा डिज़ाइन का उपयोग करना है। बड़े वर्ग को छोटे पेन में तोड़ना और चैनल बनाना गैस को बाहर निकलने की अनुमति देता है, जिससे अक्सर voiding 60% से घटाकर 15% हो जाती है overnight।

स्थान ही असली हत्यारा है

जबकि आकार खाली जगह का आकार सभी का ध्यान आकर्षित करता है, वह स्थान है जो गुणवत्ता इंजीनियरों को रातभर जागते रखता है। स्केलर बॉल के केंद्र में तरल रूप से तैरता हुआ एक बड़ा “बुल्कVoid” बहुत कम ही विश्वसनीयता खतरा होता है क्योंकि यह ठोस धातु से घिरा होता है। खतरनाक void वे होते हैं जो इंटरफ़ेस को छूते हैं—सोल्डर और कंपोनेंट पैड के बीच सीमा, या सोल्डर और PCB पैड के बीच सीमा।

हम इन्हें “शैंपेन वाइड” कहते हैं क्योंकि ये इंटरफेस पर बुलबुले की तरह इकट्ठे होते हैं। भले ही ये वाइड क्षेत्र का केवल 5% हिस्सा ही क्यों न हो, ये विनाशकारी हो सकते हैं। ये उस स्थान पर तनाव केंद्र बनाते हैं जहां इंटरमेटालिक कम्पाउंड (IMC) बनता है। ड्रॉप शॉक या वाइब्रेशन के तहत, उस वाइड में एक दरार शुरू हो सकती है और पैड के पार फैल सकती है, कनेक्शन को काटते हुए। 5% इंटरफेस वाइड 20% बल्क वाइड से अनंत रूप से खराब है। इसी कारण स्वचालित पास/फेल नंबर भ्रामक हो सकते हैं; एक मशीन 5% वाइडिंग वाले बोर्ड को पास कर सकती है जिसे मानव आंख अस्वीकार कर देगी क्योंकि वह 5% सीधे पैड सतह पर है।

यहाँ भी अक्सर “हेड-इन-पिलो” (HiP) दोषों को लेकर भ्रम होता है। आप एक ऐसी आकृति देख सकते हैं जो एक्स-रे पर वाइड या अजीब दोहरे वृत्त जैसी दिखती है, लेकिन HiP बिल्कुल भी वाइड नहीं है। यह एक खुला सर्किट है जहाँ गेंद विकृत हो गई है लेकिन पेस्ट के साथ न मिल पाने पर—जो एक स्नोमैन या बिस्तर पर सिर की तरह दिखता है। वाइड के विपरीत, जो एक प्रक्रिया संकेतक है, HiP एक कार्यात्मक असफलता है। टर्मिनोलॉजी आपको भ्रमित न करे; यदि आपके पास HiP है, तो यह एक खुला सर्किट है, न कि वाइडिंग समस्या।

झूठा सकारात्मक जाल

आधुनिक एक्स-रे मशीनें शानदार हैं, लेकिन वे सर्वज्ञानी नहीं हैं। वे पृष्ठभूमि शोर के साथ संघर्ष करती हैं। यदि आपके पास एक वाय (प्लेटेड होल) है जो सीधे BGA पैड के नीचे स्थित है, तो एक्स-रे वाय के बैरल के अंदर हवा को देखता है और इसे सोल्डर बॉल में वाइड के रूप में चिह्नित करता है। यह एक क्लासिक झूठा सकारात्मक है जिसमें सॉफ्टवेयर एक सघनता परिवर्तन देखता है और चिल्लाता है “त्रुटि!”

हम इन ‘अस्वीकृत चित्रों के हड्डी के ढेर’ की समीक्षा रोज़ करते हैं। कई मामलों में, जिसे मशीन ने 30% वाइड के रूप में चिह्नित किया है, वह वास्तव में एक पूर्णतया सोल्डर वाला बॉल है जो एक टेंटेड वाय के ऊपर बैठा है। हमें पुष्टि करने के लिए डिज़ाइन फ़ाइलों में वाय का स्थान सत्यापित करना होगा। यदि हम मशीन की राय blindly स्वीकार कर लेते, तो हम पूरी तरह से अच्छे हार्डवेयर को रद्द या पुनः कार्य कर रहे होते।

पूर्णता से अधिक विश्वसनीयता

निरीक्षण का उद्देश्य विश्वसनीयता है, आंकृतिक पूर्णता नहीं। IPC क्लास 2 और 3 सीमाओं—सिग्नल बॉल के लिए 25%, थर्मल पैड के लिए 50%—का पालन करके और हमारे निरीक्षण को खतरनाक इंटरफेस वाइडों पर केंद्रित करके हम उत्पाद को सुरक्षित रखते हैं बिना एयरलिफ्ट को नष्ट किए। हम स्वीकार करते हैं कि सोल्डर एक गतिशील, जैविक सामग्री है जो गैस जारी करती है और हिलती है। जब तक संख्याएँ और भौतिकी मिल जाती हैं, बोर्ड शिप हो जाता है।