Kebohongan Termal: Mengapa Kriteria Void Anda Gagal pada Perangkat Keras Anda

Ada takhayul yang merajalela dalam pembuatan elektronik daya yang menyamakan gambar sinar-X yang indah dengan bagian yang dapat diandalkan. Anda melihatnya di lini produksi dari Shenzhen hingga Guadalajara: seorang manajer kualitas menahan batch QFN karena persentase voiding mencapai 28% bukan 25% sewenang-wenang yang ditetapkan oleh IPC-A-610. Sementara itu, lini berhenti, papan "buruk" dibuang atau diperbaiki, dan semua orang memuji diri mereka sendiri karena berhasil menangkap cacat.

Itu bukan rekayasa keandalan. Itu adalah kontes kecantikan.

Fisika tidak peduli dengan ambang abu-abu Anda. Fisika hanya peduli pada jalur termal dari sambungan ke lingkungan sekitar. Jika Anda memprioritaskan persentase void daripada lokasi void, Anda kemungkinan membuang perangkat keras yang baik sementara membiarkan bagian berbahaya lolos begitu saja.

Masalahnya adalah kita telah membiarkan standar pengerjaan—yang sangat baik untuk menentukan apakah suatu proses menyimpang—berpura-pura sebagai fisika keandalan. Standar seperti IPC-A-610 Kelas 3 adalah pengukur lulus/gagal biner yang dirancang untuk sengketa kontrak dan konsistensi visual, bukan untuk memprediksi apakah MOSFET akan bertahan dalam siklus tugas sepuluh tahun pada inverter traksi otomotif.

Ketika Anda memperlakukan batas void 25% sebagai tebing keras untuk kegagalan termal, Anda mengabaikan konsep "Anggaran Termal." Sebuah bagian dengan voiding 30% mungkin memiliki resistansi termal Junction-to-Case (Rth-jc) yang secara statistik identik dengan bagian dengan voiding 10%, tergantung sepenuhnya pada di mana void tersebut berada. Kita perlu berhenti mengaudit bayangan dan mulai merancang aliran panas.

Geografi Daripada Geometri

Panas mengalir seperti air, mengambil jalur resistansi paling rendah, dan tidak mengalir secara merata di seluruh paddle die attach.

Ambil PowerQFN 5×6 berdaya tinggi. Dalam pengujian, Anda mungkin menemui unit dengan voiding besar—mendorong 45%—yang disebabkan oleh penguapan flux yang agresif. Di mata telanjang mesin sinar-X, itu terlihat seperti bencana, keju Swiss solder yang seharusnya terbakar habis seketika. Tetapi jika Anda memetakan void tersebut, Anda sering menemukan bahwa mereka adalah "gelembung sampanye" yang terkumpul sepenuhnya di sekitar perimeter pad, didorong ke sana oleh gaya pembasahan selama reflow. Bagian tengah pad, tepat di bawah hotspot aktif die silikon, padat.

Ketika Anda menjalankan bagian "gagal" ini pada bangku dynode dengan termokopel atau penguji termal transient, hasilnya sering mengejutkan: kenaikan suhu sambungan (Tj) berada dalam 2°C dari unit kontrol "sempurna." Panas yang dihasilkan di pusat die memiliki jalur tembaga langsung dan tidak terputus ke leadframe. Void perifer termal tidak relevan karena panas tidak pernah perlu melewati tepi tersebut untuk keluar.

Sebaliknya, Anda bisa memiliki bagian dengan total voiding hanya 8%—"lulus" menurut standar apa pun—di mana void tunggal itu adalah gelembung besar yang terperangkap tepat di bawah hotspot die. Isolasi lokal itu menciptakan hambatan termal besar, menyebabkan penumpukan arus dan lonjakan cepat Tj yang tidak dapat ditutupi oleh margin datasheet mana pun. Persentasenya rendah, tetapi risiko keandalannya kritis.

Di sinilah obsesi industri terhadap angka sederhana gagal. Hubungan antara persentase void dan resistansi termal tidak linier; itu geometris dan sangat bergantung pada arsitektur paket spesifik (misalnya, LFPAK vs. D2PAK).

Sangat menggoda untuk mencari solusi ajaib seperti sintering perak untuk mengatasi ini, dengan asumsi bahwa material yang lebih padat dan bebas rongga akan memperbaiki masalah. Namun, meskipun sintering menawarkan konduktivitas termal yang lebih tinggi, ia membawa masalahnya sendiri, terutama terkait delaminasi antarmuka pada die berukuran besar. Jika Anda mengganti material tanpa memahami geografis aliran panas Anda, Anda hanya menukar satu mode kegagalan dengan yang lebih mahal.

Paradoks Nol-Kosong

Ada sisi gelap dalam pengejaran sambungan solder "sempurna", yang sering mengejutkan tim yang menghadapi siklus termal yang keras (-40°C hingga 125°C).

Saya telah menganalisis pengembalian lapangan modul traksi dengan keandalan tinggi di mana data inspeksi sinar-X dari pabrik menunjukkan hampir nol rongga pada substrat DBC (Direct Bonded Copper). Mereka tampak sempurna. Namun, di lapangan, sambungan solder retak dan lelah lebih awal. Investigasi mengungkapkan bahwa kurangnya rongga sebenarnya adalah gejala dari lapisan ikatan yang terlalu tipis.

Dalam upaya menghilangkan rongga, proses telah disetel untuk menekan paket dengan rapat, meninggalkan hampir tidak ada ketinggian standoff solder sebagai penyangga mekanis. Solder adalah material yang lentur; ia membutuhkan volume untuk menyerap ketidakcocokan koefisien ekspansi termal (CTE) antara silikon/leadframe yang kaku dan PCB.

Ketika Anda mencapai "nol rongga" dengan menghancurkan lapisan ikatan, Anda menghilangkan peredam stres itu. Sedikit rongga yang tersebar sebenarnya dapat menghentikan penyebaran retak, bertindak sebagai pemecah stres dalam kisi. Sambungan yang sempurna, padat, dan sangat tipis secara mikroskopis mentransfer semua stres mekanis itu langsung ke lapisan intermetalik, menyebabkan retak kelelahan yang memutus jalur termal jauh lebih cepat daripada beberapa gelembung. Nol bukanlah tujuan; seringkali, sambungan tanpa rongga yang sempurna hanyalah kegagalan rapuh yang menunggu terjadi.

Berhenti Menebak, Mulailah Mengukur

Jika Anda tidak bisa mengandalkan persentase sinar-X, bagaimana Anda memvalidasi prosesnya? Anda harus berhenti melihat bayangan 2D dan mulai mengukur respons termal dinamis. Resistansi termal statis (Rth) berguna, tetapi Impedansi Termal Transien (Zth) adalah pembawa kebenaran. Menggunakan metode yang dijelaskan dalam JEDEC JESD51-14, khususnya metode antarmuka ganda, memungkinkan Anda melihat propagasi panas melalui tumpukan dalam waktu.

Dengan menganalisis kurva fungsi struktur yang dihasilkan oleh T3Ster atau peralatan serupa, Anda dapat menentukan dengan tepat di mana hambatan termal terjadi. Anda dapat membedakan antara rongga di antarmuka die-attach dan delaminasi di lapisan tembaga-ke-FR4. Ini adalah satu-satunya cara untuk membuktikan apakah rongga itu "mengisolasi" (menghalangi jalur) atau "tidak relevan" (berada di zona mati).

Ini membutuhkan investasi dalam peralatan laboratorium dan kesabaran untuk menginterpretasikan kurva yang kompleks, tetapi menggeser percakapan dari "ini terlihat jelek" menjadi "ini berjalan 15°C lebih panas." Itu adalah data yang dapat Anda bawa ke klien atau petugas kepatuhan untuk membenarkan penyimpangan dari spesifikasi standar.

Merancang Keluar

Sebelum Anda meminta manajemen setengah juta dolar untuk membeli oven reflow vakum guna menekan angka rongga Anda, lihat desain stencil Anda. Reflow vakum adalah alat yang kuat, tetapi sering digunakan sebagai penopang untuk rekayasa proses yang buruk. Penyebab paling umum rongga pada bantalan termal besar adalah terperangkapnya gas—volatile dari flux tidak memiliki jalan keluar selama fase soak.

Seringkali, Anda dapat mengurangi rongga dari kegagalan 35% menjadi lolos 15% hanya dengan mengubah desain bukaan dari blok besar tunggal menjadi kisi "window-pane". Ini menciptakan saluran bagi flux yang menguap untuk keluar sebelum solder mencapai liquidus. Gabungkan ini dengan optimasi profil—sesuaikan waktu soak untuk memastikan aktivasi volatile penuh—dan Anda sering dapat menyelesaikan masalah dengan biaya stencil baru ($300) daripada oven baru ($500k).

Pada akhirnya, tujuan Anda adalah menulis spesifikasi proses yang mencerminkan kenyataan. Jangan salin-tempel batas IPC Kelas 3 ke gambar master Anda kecuali Anda suka berdebat dengan produsen kontrak Anda. Tentukan kriteria Anda berdasarkan fisika kepadatan daya spesifik Anda:

1. Tentukan Zona Kritis: Tentukan bahwa rongga di bawah bantalan termal die (titik panas) diberi bobot lebih berat daripada rongga di tepi.
2. Wajibkan Kontrol Bondline: Atur ketinggian minimum standoff untuk mencegah kegagalan akibat stres.
3. Gunakan Zth untuk Verifikasi: Kualifikasi proses menggunakan pengujian termal transien, kemudian gunakan sinar-X hanya sebagai pemantau proses untuk memastikan tidak ada yang bergeser.

Keandalan adalah tentang memastikan perangkat berfungsi, bukan mempercantik sinar-X untuk foto stok.