Realitas Termal dari Pengosongan: Mengapa IPC Lulus/Gagal Tidak Cukup untuk Daya

Dalam manufaktur dengan keandalan tinggi, ada kenyamanan berbahaya pada tanda centang hijau. Sekelompok papan tembaga berat untuk inverter traksi EV keluar dari jalur produksi, melewati Inspeksi Sinar-X Otomatis (AXI), dan dikirim ke pelanggan. Dokumen-dokumennya sempurna. Persyaratan IPC-A-610 Kelas 3—yang sering dianggap sebagai standar emas—telah terpenuhi. Namun, tiga bulan kemudian, papan yang sama gagal di lapangan, mengalami siklus termal hingga rusak karena FET daya mengalami delaminasi. Ketidaksesuaian di sini bukan kegagalan mesin dalam mengukur. Ini adalah kegagalan standar untuk memperhitungkan fisika. Sebuah papan yang secara hukum aman masih bisa secara fisik ditakdirkan gagal.

Masalah sering terletak pada bagaimana kita mendefinisikan sambungan solder "baik" untuk komponen daya. Algoritma inspeksi standar sangat fokus pada persentase total void—menghitung volume gas yang terperangkap dalam solder relatif terhadap total area pad. Jika spesifikasi mengizinkan 25% voiding dan mesin mengukur 18%, papan lolos. Tetapi termodinamika tidak bernegosiasi dengan poin persentase. Kami telah menganalisis pengembalian lapangan di mana voiding "yang dapat diterima" 18% itu tidak tersebar secara acak; itu terkumpul tepat di bawah titik panas silikon die, bertindak sebagai isolator termal sempurna. Panas, yang tidak dapat bergerak melalui void, menyebabkan suhu sambungan (Tj) melonjak jauh melampaui area operasi yang aman. Persentasenya baik, tetapi lokasinya fatal.

Masalah Bumi Datar: Mengapa Sinar-X 2D Tidak Menangkap Intinya

Cacat ini lolos sebagian besar karena alat yang digunakan untuk menilainya. Banyak produsen kontrak masih mengandalkan sistem sinar-X transmisi 2D standar. Mesin ini memproyeksikan sinar-X melalui seluruh ketebalan papan dan menangkap bayangan yang dihasilkan pada detektor. Meskipun cukup untuk memeriksa hubung singkat pada resistor sederhana, pendekatan ini meratakan dunia rakitan daya kompleks menjadi satu bidang. Pada papan dua sisi, komponen di bawah mengganggu gambar bagian atas, menciptakan gambar yang bising dan ambigu yang sulit diinterpretasikan oleh algoritma.

Masalah bertambah ketika berhadapan dengan BGA atau BTC (Komponen Terminasi Bawah) di mana struktur vertikal sambungan penting. Dalam gambar 2D, void muncul sebagai titik terang, tetapi gambar tidak dapat memberitahu Anda di mana void itu berada secara vertikal. Apakah itu gelembung yang tidak berbahaya di dalam solder, atau "void planar" yang pada dasarnya memutuskan antarmuka komponen? Kami telah melihat kasus yang salah didiagnosis sebagai "solder tidak cukup" di mana voiding terkonsentrasi sepenuhnya di antarmuka intermetalik, menciptakan ikatan mekanis yang lemah dan hambatan termal. Tanpa kemampuan 3D seperti Laminografi atau Tomografi Terkomputasi (CT) untuk memotong data menjadi lapisan, pemeriksa pada dasarnya menebak integritas jalur termal. Anda tidak dapat menilai apa yang tidak dapat Anda lihat dalam tiga dimensi.

Topologi Termal: Lokasi Lebih Penting daripada Persentase

Ketika tujuannya adalah pelepasan panas, topologi void jauh lebih penting daripada volume total. Pikirkan jalur termal sebagai jalan raya untuk panas, yang bergerak dari die, melalui perekat die, ke leadframe, melalui sambungan solder, dan akhirnya ke pad termal PCB dan vias. Void adalah penghalang jalan. Jika Anda memiliki sepuluh void kecil yang tersebar di sekitar tepi pad termal D2PAK, "jalan raya" masih terbuka di tengah, dan panas mengalir dengan efisien dari sumber. Skenario ini mungkin secara teknis tercatat sebagai voiding 15%. Sebaliknya, satu void besar yang terpusat tepat di bawah die mungkin hanya tercatat sebagai voiding total 8%, tetapi itu memblokir jalur utama aliran panas.

Perbedaan ini sangat penting untuk bagian dengan kepadatan daya tinggi seperti IGBT atau LED dengan kecerahan tinggi. Dalam satu analisis lampu jalan yang gagal prematur, papan driver menunjukkan tingkat voiding yang secara teknis memenuhi kriteria inspeksi standar. Namun, pencitraan termal mengungkap suhu sambungan melonjak 30°C lebih tinggi dari batas desain. Void bertindak seperti "keju Swiss" dalam susunan terburuk, meningkatkan impedansi termal ($R_{th}$) sambungan. Memang, sambungan solder hanyalah satu tautan dalam rantai; jika permukaan heatsink eksternal tidak rata atau Material Antarmuka Termal (TIM) diterapkan dengan buruk, sambungan solder yang sempurna tidak akan menyelamatkan papan. Tetapi sebagai insinyur proses PCBA, antarmuka solder adalah variabel yang kami kendalikan. Memastikan jalur termal yang kontinu adalah satu-satunya metrik yang penting.

Heuristik Penilaian yang Lebih Baik

Bergerak melampaui mentalitas "centang kotak" memerlukan strategi penilaian berdasarkan kontinuitas termal daripada batas void sederhana. Bester PCBA menyarankan untuk meninggalkan "Lulus/Gagal" biner berdasarkan satu angka persentase demi kriteria penilaian berbasis zona untuk pad daya. Ini melibatkan mendefinisikan "zona kritis"—biasanya 50% tengah pad termal tempat die berada—dan menerapkan batas voiding yang jauh lebih ketat pada area spesifik itu, sambil mengizinkan toleransi lebih longgar di tepi.

Pendekatan ini memerlukan pemrograman peralatan AXI yang lebih canggih, tetapi menyelaraskan kriteria inspeksi dengan realitas fisik. Kami mencari "area kontak antarmuka"—jumlah sambungan solder yang dijamin tepat di bawah sumber panas. Tidak ada angka ajaib yang berlaku untuk setiap desain; chip logika daya rendah mungkin bertahan dengan voiding 40%, sementara transistor daya GaN mungkin gagal dengan 10% jika berada di tempat yang salah. Penilaian harus sadar konteks. Jika algoritma tidak dapat disesuaikan hingga tingkat nuansa ini, hasil "area abu-abu"—papan yang secara teknis lolos tetapi terlihat mencurigakan—harus ditandai untuk tinjauan manual oleh teknisi yang memahami jalur termal, daripada langsung disetujui otomatis.

Pencegahan dari Sumbernya

Cara terbaik untuk menilai void adalah dengan mencegahnya terbentuk sejak awal. Jumlah void yang tinggi pada thermal pad jarang terjadi secara kebetulan; biasanya itu adalah tanda pelanggaran proses atau desain. Pelaku paling umum adalah desain stencil. Apertur besar dan terbuka untuk thermal pad QFN memungkinkan terlalu banyak pasta yang dicetak, yang kemudian mengeluarkan gas selama reflow. Jika gas tersebut tidak memiliki jalan keluar, maka terbentuk void besar. Perbaikan standar adalah dengan "window-paning" apertur—memecah kotak besar menjadi kotak-kotak kecil dengan celah di antaranya—untuk membuat saluran bagi gas keluar.

Desain PCB kosong memainkan peran yang sama besarnya. Kami sering melihat desainer menempatkan via terbuka yang tidak terisi di dalam thermal pad. Selama reflow, gravitasi dan aksi kapiler menarik solder panas ke dalam lubang-lubang ini—fenomena yang dikenal sebagai solder wicking—menyebabkan komponen mengambang di atas solder yang tidak cukup. Ini menyebabkan void besar dan koneksi yang buruk. Jika thermal via diperlukan di pad, mereka harus ditutup dengan tenting di sisi belakang atau ditutup dan disegel untuk mencegah pencurian solder ini. Tidak ada jumlah grading X-ray yang dapat memperbaiki papan yang soldernya secara fisik telah mengalir keluar.

Vonis

Keandalan bukanlah sertifikat yang digantung di dinding. Itu adalah kemampuan fisik sebuah perangkat untuk bertahan di lingkungan operasinya. Mematuhi batas voiding IPC Kelas 2 atau 3 secara ketat memberikan perlindungan hukum, tetapi tidak mengubah hukum termodinamika. Untuk elektronik daya, kriteria grading standar seringkali tidak memadai. Dengan mengalihkan fokus dari “persentase total void” ke “integritas jalur termal,” dan dengan memanfaatkan alat inspeksi 3D yang mengungkap struktur sebenarnya dari sambungan, kita dapat menghentikan pengiriman papan yang ditakdirkan untuk terbakar. Biaya inspeksi yang lebih ketat selalu lebih rendah daripada biaya penarikan kembali.