Paradoks Kupon Emas: Mengapa Laporan Lulus Menyembunyikan Papan yang Gagal

Papan mati. Itu adalah unit dengan taruhan tinggi—mungkin pengontrol logistik otonom atau antarmuka pemantauan medis—dan gagal di lapangan setelah hanya lima puluh jam. Laboratorium analisis kegagalan telah menyelesaikan otopsi: penampang PCB mengungkapkan via barrel yang retak atau sambungan pos yang terpisah. Fisika tidak terbantahkan; tembaga secara fisik terputus. Namun, di atas meja di depan manajer kualitas, “Sertifikat Kesesuaian” (CoC) dari rumah fabrikasi bersinar dengan nilai lulus. Laporan mikrosektion yang terlampir pada pengiriman itu menunjukkan pelapisan tembaga yang indah dan kuat, jauh di atas minimum Kelas IPC 3.

Bagaimana sebuah papan bisa rusak secara fisik sementara dokumennya mengklaim itu sempurna? Jawabannya biasanya terletak pada “spesimen perwakilan,” yang lebih dikenal sebagai kupon uji. Dalam dunia fabrikasi papan sirkuit tercetak yang berisiko tinggi, kami mengandalkan strip kecil bahan PCB ini di tepi limbah panel fabrikasi untuk menunjukkan kesehatan sirkuit sebenarnya di tengah. Kami mengasumsikan bahwa jika kupon lulus, papan juga lulus. Asumsi itu adalah kesalahan paling mahal dalam keandalan perangkat keras modern.

Fisika tidak peduli dengan dokumen Anda. Jika geometri kupon uji tidak secara ketat cocok dengan geometri fitur paling sulit pada papan Anda yang sebenarnya, laporan mikrosektion berhenti menjadi data dan menjadi fiksi yang nyaman.

Fisika dalam Tangki Pelapisan

Untuk memahami mengapa kupon berbohong, Anda harus melihat lingkungan di dalam tangki pelapisan. Panel PCB direndam dalam bak elektrolit di mana tembaga diendapkan ke permukaan dan ke dalam lubang yang dibor melalui elektrolisis. Pelapisan bukanlah proses seragam seperti mengecat dinding. Ini adalah perjuangan kacau antara dinamika fluida dan distribusi arus listrik.

Kecepatan penumpukan tembaga di dalam lubang sangat bergantung pada “daya lempar” bak dan rasio aspek lubang. Lubang yang lebar dan dangkal mudah dilapisi; kimia segar mengalir dengan mudah, dan medan listrik kuat. Lubang yang sempit dan dalam adalah mimpi buruk. Kimia menjadi stagnan, dan medan listrik berjuang mencapai pusat barrel.

Sekarang, pertimbangkan geometri kupon uji standar. Secara historis, banyak vendor fabrikasi menggunakan kupon standar IPC-2221 “Model A” atau strip kepemilikan sederhana. Mereka sering memiliki lubang melalui berdiameter besar yang kuat, mungkin 0,5mm atau lebih besar. Mereka adalah “pintu gudang” dunia PCB—mudah dibor, mudah dibersihkan, dan sangat mudah dilapisi.

Bandingkan ini dengan desain papan. Anda mungkin menggunakan desain interkoneksi kepadatan tinggi (HDI) dengan bor mekanis 0,15mm atau microvia yang dibor laser. Ini adalah “mata jarum.” Ketika panel itu masuk ke tangki, kimia membanjiri lubang kupon besar, mengendapkan tembaga tebal dan sehat. Sementara itu, di tengah panel, larutan pelapisan berjuang untuk bersirkulasi di dalam via kecil dengan rasio aspek tinggi Anda. Hasilnya adalah “penipisan lutut” atau pelapisan barrel yang tidak cukup pada produk sebenarnya, sementara kupon di rel mendapatkan bintang emas.

Kesenjangan ini melampaui integritas struktural. Perancang sering terobsesi dengan kontrol impedansi, menuntut laporan TDR (Time Domain Reflectometry) untuk memastikan integritas sinyal. Jika vendor menggunakan kupon dengan geometri jejak yang tidak cocok dengan kepadatan spesifik dan lingkungan etsa pasangan diferensial kecepatan tinggi Anda, hasil TDR itu adalah fiksi yang dihitung, bukan realitas yang diukur. Jika kupon struktural berbohong tentang ketebalan tembaga, kupon impedansi kemungkinan berbohong tentang lebar jejak.

Masalah diperparah oleh “pencuri arus.” Tepi panel fabrikasi menarik kepadatan arus lebih tinggi daripada tengah. Karena kupon hampir selalu ditempatkan di tepi panel (“rel”) untuk menghemat ruang, mereka secara alami melapisi lebih cepat dan lebih tebal daripada bagian di tengah. Anda akhirnya menguji properti paling istimewa di panel untuk memvalidasi yang paling kurang beruntung.

Perangkap HDI dan Via-in-Pad

Ketidaksesuaian geometri menjadi bencana ketika Anda masuk ke struktur HDI dan Via-in-Pad Plated Over (VIPPO). Di sinilah sebagian besar skenario "lulus-tapi-gagal" modern terjadi.

Pertimbangkan microvia bertumpuk. Dalam struktur ini, sebuah via yang dibor dengan laser pada lapisan 1 terhubung ke via tersembunyi pada lapisan 2, yang terhubung ke lapisan 3, semuanya bertumpuk langsung di atas satu sama lain. Ini secara mekanis rapuh dan rentan terhadap pemisahan di antarmuka jika kimia pelapisan tidak sempurna. Namun, jika vendor menggunakan kupon standar yang menggeser via ini—menempatkannya offset satu sama lain—daripada menumpuknya, profil tegangan berubah sepenuhnya. Kupon yang digeser akan lulus uji siklus termal yang merobek via bertumpuk. Anda memvalidasi struktur yang jinak sambil mengirimkan bom waktu.

Kemudian ada mimpi buruk VIPPO. Dalam proses ini, sebuah via dilapisi, diisi dengan epoksi, dan kemudian "ditutup" dengan tembaga sehingga komponen dapat disolder langsung di atasnya. Bahayanya di sini adalah "dimpling" atau pemisahan tutup yang disebabkan oleh pengeluaran gas dari isi epoksi. Jika desain Anda menggunakan VIPPO untuk breakout BGA tetapi kupon standar vendor menggunakan lubang terbuka, mikrosektion tidak akan pernah menunjukkan kualitas pelapisan tutup atau isiannya.

Ini sering menjadi tempat perdebatan antara IPC Kelas 2 dan Kelas 3 menciptakan kepercayaan palsu. Tim pengadaan berjuang keras untuk kontrak Kelas 3, percaya bahwa itu memberi mereka kekebalan dari kegagalan. Tetapi Kelas 3 hanyalah seperangkat kriteria penerimaan (misalnya, ketebalan pelapisan minimum, lebar cincin annular). Jika Anda menerapkan kriteria Kelas 3 pada kupon yang secara fisik tidak menyerupai papan Anda, Anda tidak membeli keandalan. Anda membeli inspeksi berkualitas tinggi yang sangat mahal dari sepotong bahan bekas yang tidak ada hubungannya dengan produk Anda.

Perisai Dokumen

Mengapa ini terjadi? Mengapa sebuah rumah fabrikasi, yang reputasinya bergantung pada kualitas, menggunakan kupon yang tidak cocok dengan papan?

Niat jahat jarang menjadi penyebab. Biasanya, ini hanya karena inersia dan efisiensi. Kupon standar seperti model IPC-2221 sudah dirancang sebelumnya. Mereka pas dengan rapi di tepi panel tanpa menghabiskan ruang yang menghasilkan pendapatan. Mereka mudah untuk di-mikroseksi dan mudah dibaca di bawah mikroskop. Seorang teknisi laboratorium dapat memproses lima puluh kupon standar dalam satu shift. Kupon khusus yang meniru fitur papan yang kompleks membutuhkan waktu rekayasa untuk dibuat, memakan lebih banyak ruang, dan lebih sulit untuk digiling dan dipoles tanpa merusak sampel.

Ada juga insentif yang menyimpang. "Kupon Emas"—yang dirancang untuk lulus—menjaga jalur produksi tetap berjalan. Jika vendor menggunakan kupon yang secara ketat meniru fitur terberat Anda, hasil produksinya akan turun. Mereka harus membuang panel yang mungkin "batas". Dengan menggunakan kupon yang longgar, mereka mengalihkan risiko dari tumpukan limbah mereka ke pengembalian lapangan Anda.

Dokumentasi memperkuat perlindungan ini. CoC standar akan mencantumkan kepatuhan terhadap IPC-6012. Kecuali Anda telah membaca cetakan halus IPC-6012 Lampiran A dan secara khusus mengamanatkan "kupon A/B" (kupon yang cocok dengan struktur via spesifik dari desain), vendor secara teknis patuh dengan menggunakan strip default mereka. Mereka mengikuti standar; standar hanya tidak memaksa mereka untuk menguji hal-hal sulit.

Merancang Kebenaran

Satu-satunya cara untuk memutus siklus ini adalah dengan mengendalikan catatan fabrikasi. Anda tidak dapat mengandalkan vendor untuk secara sukarela membuat pekerjaan mereka lebih sulit.

Anda harus menentukan bahwa kupon uji dibuat sesuai dengan IPC-6012 Lampiran A. Spesifikasi ini memaksa pembuat kupon untuk melihat file papan, mengidentifikasi "Fitur Paling Sulit" (MDF)—baik itu bor terkecil, jarak terketat, atau via buta terdalam—dan membuat kupon yang meniru fitur tersebut.

Untuk produksi kritis—dirgantara, medis, atau otomotif volume tinggi—Anda harus melangkah lebih jauh. Tuntut agar kupon ditempatkan tidak hanya di tepi panel, tetapi di tengah panel, atau setidaknya di area aktif. Ya, ini menghabiskan ruang. Ya, Anda akan mendapatkan lebih sedikit papan per panel. Vendor akan menolak. Mereka akan memberi tahu Anda bahwa ini meningkatkan biaya per unit.

Ini adalah saat untuk menimbang "Biaya Kualitas." Hitung biaya ruang panel itu—mungkin beberapa dolar per unit. Sekarang hitung biaya penarikan lapangan, situasi jalur produksi berhenti, atau tim insinyur yang terbang ke produsen kontrak untuk memecahkan kegagalan "hantu." Biaya limbah dari kupon yang jujur adalah premi asuransi yang jauh lebih murah daripada tanggung jawab dari kelulusan palsu.

Ada nuansa di sini. Beberapa rumah fabrikasi kelas atas telah mengembangkan kupon internal kepemilikan yang melebihi standar IPC dalam kemampuannya mendeteksi cacat laten. Jika vendor menolak permintaan kupon Anda karena mereka memiliki sistem internal "lebih baik", dengarkan mereka—tetapi verifikasi. Minta data teknis tentang sensitivitas kupon mereka. Jika mereka dapat membuktikan metode mereka menangkap cacat yang Anda pedulikan, itu dapat diterima. Tetapi "kami selalu melakukannya seperti ini" bukanlah argumen teknik yang sah.

Pada akhirnya, laporan mikrosektion hanya seberharga sampel yang dihancurkannya. Jika Anda membiarkan proses default ke jalur termudah, Anda tidak sedang menguji produk Anda. Anda sedang menguji kemampuan vendor untuk melapisi lubang yang tidak ada di papan Anda. Paksa geometri agar sesuai dengan kenyataan, dan kertas itu akhirnya akan mengatakan yang sebenarnya.