Analisis Void X-Ray: Kriteria yang Cocok dengan Kelas IPC

Tes Rorschach Produksi

Saat pertama kali melihat gambar X-ray skala abu-abu dari Ball Grid Array (BGA), insting Anda biasanya takut. Anda melihat lingkaran gelap (bola solder) yang penuh bercak lebih cerah dan tidak beraturan. Itu tampak seperti penyakit, spons, atau—bagi yang tidak berpengalaman—cacat yang harus dihilangkan.

Di ruang inspeksi, bagaimanapun, kami tidak memeriksa untuk estetika; kami memeriksa untuk fisika. Bercak yang lebih cerah tersebut adalah void—kantung gas yang terperangkap selama proses reflow. Mereka memang buruk, ya. Tapi dalam sebagian besar kasus, mereka secara struktural jinak.

Tantangan dalam pembuatan elektronik modern bukanlah mencapai sambungan solder tanpa void yang 'sempurna', yang merupakan usaha yang sangat mahal dan sering merusak. Tantangannya adalah membedakan void kosmetik yang akan bertahan sepuluh tahun di lapangan dan void struktural yang akan retak di bawah stres termal. Untuk itu, kita harus mengabaikan reaksi naluriah terhadap gambar 'buruk' dan mengandalkan rasio area yang didefinisikan dalam IPC-A-610.

Aturan 25%

Standar industri untuk penerimaan perakitan elektronik, IPC-A-610, cukup memaafkan ketika berhubungan dengan voiding. Apakah Anda membangun produk Kelas 2 (laptop, kontrol industri) atau produk Kelas 3 (dukungan hidup, dirgantara), kriteria voiding BGA sering kali sama. Menurut IPC-A-610 dan pendampingnya J-STD-001, sebuah bola solder diterima asalkan area void kumulatif tidak melebihi 25% dari total area bola.

Angka itu biasanya mengejutkan orang. Void sebesar 25% tampak besar pada monitor—seolah-olah sepertiga dari sambungan hilang. Tapi fisika menceritakan cerita berbeda. Pasta solder, terutama paduan bebas timbal SAC305 standar, mengandung volatile flux yang harus menguap selama proses reflow. Jika waktu di atas liquidius singkat, atau jika komponen berat, beberapa gas terperangkap. Ini hal yang alami. Sisa 75% dari volume solder cukup besar untuk menghantarkan arus listrik dan menahan guncangan mekanis.

Faktanya, studi internal dan data keandalan industri menunjukkan bahwa bola BGA dengan voiding 15–20% sering bertahan sebanyak siklus termal yang sama dengan yang memiliki voiding 1%.

Ada sebuah gerakan, sering didorong oleh produsen niche kelas atas, yang menyarankan bahwa mana Void adalah suatu kegagalan. Anda mungkin mendengar argumen tentang oven reflow vakum, yang menarik atmosfer keluar dari ruang selama penyolderan untuk menyebabkan gelembung runtuh. Jika Anda membangun satelit untuk ruang dalam yang tidak memungkinkan perbaikan, reflow vakum adalah persyaratan yang sah, meskipun mahal. Untuk 99% elektronik lainnya, mengejar nol void adalah pemborosan uang dan anggaran termal. Menyebabkan sebuah papan untuk melewati beberapa siklus panas rework untuk memperbaiki void 15% yang sesuai justru merusak laminasi dan pad tembaga lebih dari void itu sendiri.

Geometri Penerimaan

Inspeksi adalah perhitungan geometris, bukan pemeriksaan suasana. Ketika mesin Inspeksi X-ray Otomatis (AXI) atau operator manusia meninjau sebuah BGA, tugasnya adalah menghitung perkiraan luas void relatif terhadap luas bola. Ini adalah rasio sederhana: (Jumlah Area Void) / (Total Area Bola). Jika bola berdiameter 20 mil, kita mengukur jumlah piksel dari bercahaya berlawanan dengan lingkaran gelap.

Namun, void jarang berupa lingkaran sempurna. Mereka sering muncul sebagai “keju Swiss”—kumpulan gelembung kecil yang bergabung dan memisah. Menghitung luas pasti dari bentuk tidak teratur ini adalah estimasi, bahkan untuk algoritme canggih. Mesin menggambar perimeter di sekitar klaster void dan menjumlahkannya.

Ketika hasilnya mendekati batas—misalnya, 24% atau 26%—penilaian manusia menjadi sangat penting. Kita harus melihat ketajaman gambar. Apakah itu void besar tunggal, atau klaster kecil? Standar mengizinkan perhitungan kumulatif, yang berarti banyak gelembung kecil dihitung sama seperti satu besar, asalkan mereka tidak melanggar aturan lain tentang lokasi.

Pengecualian Thermal Pad (QFN/BTC)

Kriteria berubah secara drastis ketika kita beralih dari pin sinyal (BGA) ke pad termal. Komponen seperti QFNs (Quad Flat No-leads) dan Komponen Penutupan Bawah (BTC) lainnya memiliki pad terbuka besar di pusat untuk pengeluaran panas, bukan sinyal listrik. Karena itu adalah permukaan besar yang datar yang disolder ke pad besar yang cocok di PCB, penguapan gas keluar tidak ada tempatnya. Bayangkan seperti meratakan adonan pizza tanpa menjebak gelembung udara; hampir tidak mungkin.

Akibatnya, batas IPC untuk pad-termal ini secara signifikan lebih tinggi, biasanya mengizinkan voiding hingga 50%. Insinyur sering panik ketika mereka melihat pad termal QFN yang terlihat seperti sarang lebah, menandainya sebagai reject. Tetapi jika pad tersebut disolder dengan 50%, efisiensi transfer panas biasanya cukup untuk rating komponen tersebut. Sementara lembar data dari produsen seperti TI atau Analog Devices kadang-kadang menetapkan batas yang lebih ketat untuk aplikasi RF daya tinggi, 50% adalah standar untuk logika digital umum.

Jika Anda secara konsisten melihat void besar di pad-termal ini—misalnya, 60% atau lebih tinggi—masalahnya jarang pada profil reflow. Hampir selalu masalahnya adalah desain stensil. Pembukaan aperture 1:1 (tempat lubang di stensil sama ukurannya dengan pad) menempatkan terlalu banyak pasta, menjebak volatiles di pusatnya. Solusinya bukan mengutak-atik oven, tetapi menggunakan desain stensil “jendela-pane”. Membagi kotak besar menjadi panel kecil dengan saluran memungkinkan gas keluar, sering kali menurunkan voiding dari 60% menjadi 15% semalam.

Lokasi adalah Pembunuh Sejati

Sementara itu, ukuran void mendapatkan perhatian utama, sementara yang lokasi adalah apa yang membuat insinyur kualitas terjaga di malam hari. Void besar “bulk” yang mengambang dengan tenang di pusat bola solder jarang menjadi ancaman keandalan karena dikelilingi oleh logam padat. Void berbahaya adalah yang menyentuh antarmuka—batas antara solder dan pad komponen, atau solder dan pad PCB.

Kami menyebut ini “kekosongan Champagne” karena mereka berkumpul di antarmuka seperti gelembung dalam gelas. Meskipun kekosongan ini hanya mencakup 5% dari area, mereka bisa berakibat katastrofik. Mereka menciptakan titik konsentrasi tegangan tepat di mana senyawa intermetallic (IMC) terbentuk. Di bawah guncangan jatuh atau getaran, sebuah retakan dapat mulai di kekosongan tersebut dan menyebar melintasi pad, memutuskan koneksi. Kekosongan antarmuka 5% jauh lebih buruk daripada kekosongan massa 20%. Inilah sebabnya angka lulus/gagal otomatis bisa menipu; sebuah mesin mungkin meloloskan papan dengan kekosongan 5% yang di mata manusia akan ditolak karena kekosongan tersebut tepat di permukaan pad.

Ini juga tempat sering timbul kebingungan terkait cacat “Head-in-Pillow” (HiP). Anda mungkin melihat bentuk yang terlihat seperti kekosongan atau lingkaran ganda aneh pada sinar-X, tetapi HiP bukanlah kekosongan sama sekali. Itu adalah sirkuit terbuka di mana bola telah berubah bentuk tetapi tidak bergabung dengan pasta—terlihat seperti manusia salju atau kepala yang bersandar di bantal. Berbeda dengan kekosongan, yang merupakan indikator proses, HiP adalah kegagalan fungsi. Jangan biarkan terminologi membingungkan Anda; jika Anda memiliki HiP, itu adalah sirkuit terbuka, bukan masalah kekosongan.

Perangkap Positif Palsu

Mesin sinar-X modern sangat mengagumkan, tetapi mereka tidak mengetahui segalanya. Mereka kesulitan dengan kebisingan latar belakang. Jika Anda memiliki via (lubang berlapis) yang terletak tepat di bawah pad BGA, sinar-X melihat udara di dalam tabung via dan menandainya sebagai kekosongan dalam bola solder. Ini adalah positif palsu klasik di mana perangkat lunak melihat perubahan densitas dan meneriakkan “Cacat!”

Kami mereview ‘tumpukan tulang’ dari gambar yang ditolak ini setiap hari. Dalam banyak kasus, apa yang ditandai mesin sebagai kekosongan 30% sebenarnya adalah bola solder yang dipasang dengan sempurna yang duduk di atas via yang tertutup. Kami harus memverifikasi lokasi via dalam file desain untuk mengonfirmasi. Jika kami blindly menerima penilaian mesin, kami akan membuang atau memperbaiki perangkat keras yang sebenarnya baik.

Keandalan Di Atas Kesempurnaan

Tujuan inspeksi adalah keandalan, bukan kesempurnaan geometris. Dengan mematuhi batas IPC Kelas 2 dan 3—25% untuk bola sinyal, 50% untuk pad termal—dan memusatkan perhatian pada kekosongan antarmuka yang berbahaya daripada kekosongan massa yang tidak berbahaya, kami melindungi produk tanpa mengorbankan hasil produksi. Kami menerima bahwa solder adalah bahan organik yang dinamis, mengeluarkan gas dan bergerak. Selama angka dan fisika sejalan, papan pengiriman.