Celah Tak Terlihat: Mengapa Paste Anda Gagal Sebelum Oven

Cacat hampir selalu terlihat jika Anda tahu kapan harus melihat, tetapi sebagian besar insinyur proses melihatnya di waktu yang salah. Anda berjalan di atas garis, memeriksa printer, dan melihat endapan yang jernih dan persegi di atas bantalan. Definisi tajam. Volume benar. Mesin SPI (Inspeksi Pasta Solder) memberinya lampu hijau. Namun dua puluh menit kemudian, setelah papan yang sama telah melewati konveyor dan keluar dari oven reflow, Anda menatap QFN yang terhubung atau void besar di bawah FET daya.

Insting langsung adalah menyalahkan profil reflow atau desain lubang stensil, tetapi kejahatan tidak terjadi di oven. Terjadi dalam sepuluh menit papan menunggu di konveyor.

Kami menyebut ini “cold slump,” pembunuh diam dari First Pass Yield (FPY). Secara teknis cairan, pasta solder mulai rileks dan menyebar di bawah beban sendiri sebelum terkena panas. Dalam lingkungan laboratorium yang bersih, efek ini minimal. Tetapi di pabrik nyata—di mana kelembapan berfluktuasi dan AC berjuang melawan panas oven reflow—cold slump mengubah endapan tajam seperti batu bata menjadi gumpalan amorf yang menyentuh tetangganya. Saat papan masuk ke zona pra-pemanasan, jembatan sudah terbentuk. Tidak ada tweak profil yang akan memisahkan dua bantalan yang sudah bergabung. Panas bukan masalahnya. Fisika pasta yang duduk pada suhu kamar adalah.

Fisika dari Runtuhnya

Untuk memahami mengapa pasta gagal saat tidak melakukan apa-apa, lihat bahan itu sendiri. Pasta solder bukan lem sederhana. Ia adalah suspensi padat dari bola logam (serbuk) mengapung dalam kendaraan kimia (flux). Keajaiban pencetakan bergantung pada thixotropy. Saat squeegee mendorong pasta melintasi stensil, gaya geser menurunkan viskositas pasta, memungkinkan untuk mengalir seperti cairan ke dalam lubang. Saat squeegee berlalu dan stensil terangkat, gaya geser berhenti. Idealnya, pasta harus segera memulihkan viskositas tingginya dan “membeku” dalam bentuk batu bata yang sempurna.

Tetapi pemulihan tidak pernah instan, dan tidak pernah permanen. Kendaraan flux berjuang melawan gravitasi dan tegangan permukaan secara konstan. Jika viskositas tidak pulih cukup cepat, partikel logam berat—ingat, ini sebagian besar timah dan perak—menggeser flux ke luar. Ini adalah slump: kolaps dengan gerakan lambat. Pada QFP pitch 0,5mm atau bantalan termal QFN yang ketat, Anda hanya memiliki beberapa mil gap. Jika pasta melorot hanya 10%, celah itu hilang.

Insinyur sering mencoba melawan ini dengan meredesain stensil. Mereka meminta lubang “home plate” atau “inverted home plate” untuk mengurangi volume pasta, berharap bahwa lebih sedikit pasta berarti lebih sedikit penyebaran. Ini adalah plester rekayasa pada masalah fisika. Mengurangi volume memberi Anda lebih sedikit solder untuk membentuk sambungan, berpotensi menyebabkan kekurangan atau ikatan mekanis yang lemah, dan tidak menyelesaikan akar permasalahan. Jika rheologi pasta rusak, deposit yang lebih kecil tetap akan melorot; hanya saja membutuhkan beberapa menit lebih lama untuk melakukannya.

Ancaman Higroskopis

Penyebab utama dari kerusakan viskositas ini biasanya bukan dari formulasi pasta itu sendiri—pasta SAC305 Tipe 4 modern secara kimiawi kuat. Ini adalah bahan tak terlihat: air. Kimia flux secara alami higroskopis. Mereka menyerap kelembapan dari udara seperti spons. Ketika Anda meninggalkan toples terbuka atau gumpalan pasta di stencil, mereka secara aktif menarik molekul air dari udara pabrik.

Air yang diserap ini menghancurkan keseimbangan kimiawi flux yang rapuh. Ia berfungsi sebagai pengencer, secara drastis menurunkan viskositas dan merusak ketahanan slump. Anda mungkin tidak melihatnya dengan mata telanjang, tetapi rheometer akan menunjukkan tegangan hasilnya menukik. Jika lantai pabrik Anda berjalan pada Kelembapan Relatif (RH) 70% karena hari Selasa yang hujan dan manajer fasilitas mencoba menghemat uang pada pengaturan iklim, pasta Anda memburuk secara eksponensial lebih cepat daripada klaim lembar data.

Konsekuensinya melampaui sekadar jembatan. Air itu tidak cuma duduk di sana; itu mendidih. Saat papan memasuki oven reflow, air yang terperangkap di dalam pasta berubah menjadi uap seketika. Ledakan mikro ini memecah bubuk solder. Jika Anda sedang mengejar “solder balling” yang intermittant atau “mid-chip beads”—bola logam kecil yang menempel di sisi kapasitor—berhenti melihat kecepatan ramp profil reflow Anda. Anda kemungkinan besar sedang merebus air. Uap tersebut menciptakan void di dalam sambungan dan menyemprotkan bola solder keluar dari sana. Anda sedang melawan masalah kelembapan yang menyamar sebagai masalah thermal.

Rantai Dingin Terputus

Kesalahan penanganan yang paling parah, bagaimanapun, terjadi sebelum pasta bahkan mencapai printer. Itu terjadi saat transisi dari penyimpanan ke jalur produksi. Pasta solder mudah rusak. Disimpan pada 4°C untuk menghentikan reaksi kimia antara flux dan bubuk. Jika reaksi tersebut terjadi, flux akan habis saat duduk dalam toples. Tetapi penyimpanan dingin menciptakan jebakan.

Pertimbangkan garis waktu dari “batch buruk.” Log menunjukkan pasta diambil dari kulkas pada pukul 7:00 pagi untuk memulai shift. Cacat—briding besar dan voiding—mulai muncul pukul 9:00 pagi. Operator mengklaim mereka mengikuti prosedur. Tetapi jika Anda memperhatikan dengan cermat log “pasta keluar”, Anda mungkin menemukan toples dibuka segera. Saat membuka toples 4°C di ruangan 25°C dengan kelembapan 60%, kondensasi terbentuk dengan instan di permukaan dingin pasta tersebut. Bayangkan bir dingin yang berkeringat di teras—itu adalah fisika yang sama. Kondensasi itu adalah air murni, dan Anda baru saja mencampurnya langsung ke dalam kimia Anda.

Peralatan penyimpanan sendiri sering menjadi penyebab. Umumnya, sebuah pabrik menjalankan jalur SMT senilai jutaan dolar yang bergantung pada kulkas mini kamar tidur $90 untuk menyimpan inventaris senilai lima puluh ribu dolar. Peralatan konsumen ini memiliki hysteresis termal yang buruk. Mereka berayun secara liar, kadang membekukan pasta (yang merusak suspensi flux secara permanen) dan terkadang membiarkan pasta naik sampai 15°C. Jika pasta membeku, flux akan terpisah. Tidak peduli berapa banyak pencampuran, itu tidak akan memperbaikinya. Jika Anda melihat pemisahan atau “kerak” di toples baru, periksa kulkas, bukan vendor.

Mitos yang menyebar luas menyatakan bahwa Anda dapat “mempercepat temper” pasta dengan menaruhnya di pemanas atau mengaduknya dengan keras. Ini salah. Satu-satunya cara aman untuk menyesuaikan pasta adalah dengan mengeluarkannya dari kulkas dan membiarkannya diam, tertutup, pada suhu kamar selama minimal empat sampai delapan jam. Jika Anda tidak merencanakan sebelumnya dan Anda membutuhkan pasta sekarang, Anda tidak beruntung. Membuka ikatan lebih awal akan menjamin masuknya kelembapan.

Menggores Dasar

Musuh terakhir dari hasil adalah ekonomi kekurangan. Pasta solder mahal, sering kali berharga ratusan dolar per kilogram. Ini menyebabkan manajer dan operator memperlakukannya seperti emas cair, berusaha menyimpan setiap gram. Anda melihat operator mengikis pasta kering dan berkerak dari ujung squeegee yang jauh dan memasukkannya kembali ke dalam toples, atau mencampurnya dengan pasta segar.

“Ekonomi scraper” ini secara matematis merugikan. Pasta bekas tersebut telah terpapar udara selama berjam-jam. Flux-nya sudah habis, viskositasnya tinggi. Pasta tersebut menyerap kelembapan dan oksidasi. Dengan mencampurnya kembali, Anda mencemari bahan segar. Pertimbangkan rasio: 50 gram pasta terbuang mungkin berharga tiga dolar. Satu papan BGA yang diperbaiki ulang memerlukan lima puluh dolar dalam waktu teknisi, ditambah risiko membuang seluruh PCBA. Jika Anda menabung tiga dolar untuk mengambil risiko lima puluh, Anda tidak menghemat uang.

Demikian pula, ada tekanan konstan untuk memperpanjang umur simpan. “Kedaluwarsa minggu lalu, bisakah kita masih menggunakannya?” Jawaban seharusnya selalu tidak. Degradasi kimia dari flux bukanlah saran; itu adalah kenyataan. Risiko voiding dan sambungan terbuka meningkat setiap hari setelah tanggal kedaluwarsa. Jika Anda mengajukan pertanyaan ini, manajemen inventaris Anda adalah masalahnya, bukan tanggal kedaluwarsa.

Disiplin adalah Perbaikan

Solusi terhadap slump dingin dan cacat “misterius” jarang melibatkan paduan baru yang mahal atau stensil berlapis nanocoated. Itu disiplin yang membosankan, ketat. Itu membeli termometer $20 dan higrometer dan menaruhnya langsung di samping printer. Itu menegakkan waktu “Jangan Buka” yang ketat pada pasta yang diambil dari penyimpanan dingin. Itu memberdayakan operator untuk membuang pasta yang telah berada di stencil terlalu lama, daripada mencoba menyimpannya.

Pengendalian proses mengalahkan ilmu material. Anda dapat menjalankan pasta tahan slump tipe 5 yang paling mahal dan paling tahan slump di dunia, tetapi jika Anda memperlakukannya seperti kotoran—jika Anda membiarkannya basah, membeku, atau meninggalkannya selama 24 jam—itu akan gagal. Sebaliknya, jalur yang disiplin dapat menjalankan SAC305 standar dalam lingkungan terkendali dan mencapai tingkat cacat mendekati nol. Pasta biasanya bekerja. Pastikan lingkungan mendukungnya.