Il Gap Invisibile: Perché il tuo incollaggio fallisce prima del forno

Il difetto è quasi sempre visibile se sai quando guardare, ma la maggior parte degli ingegneri di processo guardano nel momento sbagliato. Cammini sulla linea, controlli la stampante e vedi un deposito nitido e quadrato sui pads. La definizione è netta. Il volume è corretto. La macchina SPI (Ispezione della Pasta Saldante) dà il via libera. Eppure, venti minuti dopo, dopo che quella stessa scheda ha percorso il nastro trasportatore ed è uscita dal forno di reflow, stai fissando un QFN in bridged o un vuoto enorme sotto un FET di alimentazione.

L'istinto immediato è di incolpare il profilo di reflow o il design dell'apertura dello stencil, ma il crimine non è avvenuto nel forno. È successo nei dieci minuti in cui la scheda è rimasta in attesa sul nastro trasportatore.

Chiamamo questo “collasso freddo”, il killer silenzioso del First Pass Yield (FPY). Tecnicamente un fluido, la pasta saldante inizia a rilassarsi e a diffondersi sotto il suo peso prima ancora di essere riscaldata. In un ambiente di laboratorio perfetto, questo effetto è minimo. Ma in una fabbrica reale—dove l’umidità oscilla e l’aria condizionata fatica contro il calore dei forni di reflow—il collasso freddo trasforma depositi acuti simili a mattoni in blob amorfi che toccano i loro vicini. Quando la scheda entra nella zona di preriscaldo, il ponte si è già formato. Nessuna regolazione del profilo può separare due pad già uniti. Il calore non è il problema. È la fisica della pasta a temperatura ambiente.

La Fisica del Collasso

Per capire perché la pasta fallisce mentre non fa nulla, guarda il materiale stesso. La pasta saldante non è una semplice colla. È una sospensione densa di sfere di metallo (polvere) che galleggiano in un veicolo chimico (flusso). La magia della stampa si basa sulla thixotropia. Quando il raschietto spinge la pasta attraverso lo stencil, la forza di taglio riduce la viscosità della pasta, permettendole di fluire come un liquido nelle aperture. Quando il raschietto passa e lo stencil si solleva, quella forza di taglio si ferma. Idealmente, la pasta dovrebbe recuperare istantaneamente la sua alta viscosità e “congelarsi” in quella forma di mattoni perfetta.

Ma il recupero non è mai istantaneo, e non è mai permanente. Il veicolo del flusso combatte costantemente la gravità e la tensione superficiale. Se la viscosità non si recupera abbastanza velocemente, le particelle di metallo pesante—ricorda, questa è principalmente stagno e argento—trainano il flusso verso l'esterno. Questo è il collasso: un crollo a slow motion. Su un QFP con passo di 0,5mm o una piastra termica QFN compatta, hai solo alcuni mille di spazio. Se la pasta crolla di appena 10%, quello spazio scompare.

Gli ingegneri cercano spesso di combattere questo riprogettando lo stencil. Richiedono aperture “a piattello” o “a piattello invertito” per ridurre il volume di pasta, sperando che meno pasta significhi meno diffusione. Questo è un cerotto ingegneristico su un problema di fisica. Ridurre il volume ti dà meno saldatura per formare il giunto, potenzialmente portando a mancanze di saldatura o legami meccanici deboli, e non risolve il problema alla radice. Se la reologia della pasta è rotta, una depositazione più piccola si crollerà comunque; ci impiega solo qualche minuto in più.

La Minaccia Idr withcorosa

Il principale motore di questa rottura di viscosità di solito non è la formulazione della pasta stessa—le paste SAC305 Type 4 moderne sono chimicamente robuste. È un ingrediente invisibile: l’acqua. Le chimiche dei flussi sono naturalmente igroscopiche. Assorbono umidità dall’aria come una spugna. Quando lasci un barattolo aperto o un ammasso di pasta sullo stencil, attivamente assorbono molecole d’acqua dall’aria della fabbrica.

Questa acqua assorbita distrugge il delicato equilibrio chimico del flusso. Agisce come un diluente, abbassando drasticamente la viscosità e rovinando la resistenza al collasso. Potresti non vederlo a occhio nudo, ma un reometro mostrerebbe il calo dello stress di cedimento. Se il pavimento della tua fabbrica funziona con il 70% di Umidità Relativa (RH) perché è un martedì piovoso e il responsabile cerca di risparmiare sulla climatizzazione, la tua pasta si degrada esponenzialmente più velocemente di quanto dica il datasheet.

Le conseguenze vanno oltre il semplice bridging. Quella acqua non si limita a stare lì; bolle. Quando la scheda entra nel forno di reflow, l’acqua intrappolata all’interno della pasta si trasforma subito in vapore. Questa micro-esplosione fa a pezzi la polvere di saldatura. Se stai cercando di risolvere un problema di “balling” intermittente o di “mid-chip beads”—quelle minuscole sfere di metallo attaccate ai lati di un condensatore—smetti di guardare il ramp rate del profilo di reflow. Probabilmente stai facendo bollire acqua. Il vapore crea vuoti all’interno della giunzione e spruzza palline di saldatura fuori di essa. Stai combattendo un problema di umidità mascherato come uno termico.

La Catena del Freddo Interrotta

L'errore di manipolazione più grave, tuttavia, avviene prima che la pasta raggiunga addirittura la stampante. Succede nel passaggio dallo stoccaggio alla linea. La pasta saldante è deperibile. Viene conservata a 4°C per fermare la reazione chimica tra il flusso e la polvere. Se questa reazione avviene, il flusso si esaurisce mentre rimane nel barattolo. Ma il deposito freddo crea una trappola.

Considera la sequenza temporale di un “lotto difettoso”. I registri mostrano che la pasta è stata tolta dal frigorifero alle 7:00 per l'inizio del turno. Il difetto—ponti massicci e vuoti—inizia a comparire alle 9:00. L'operatore afferma di aver seguito la procedura. Ma se guardi attentamente il registro “pasta fuori”, potresti trovare che il barattolo è stato aperto immediatamente. Quando apri un barattolo a 4°C in una stanza a 25°C con umidità del 60%, si forma immediatamente condensazione sulla superficie fredda della pasta. Pensa a una birra fredda che macchia su un patio—è la stessa fisica. Questa condensazione è acqua pura, e l'hai appena mescolata direttamente nella tua chimica.

Le attrezzature di stoccaggio stesse sono spesso un colpevole. È comune vedere una fabbrica con linee SMT da milioni di dollari che si affidano a un mini-frigorifero da camera da letto $90 per immagazzinare inventario dal valore di cinquantamila dollari. Questi elettrodomestici di consumo hanno un'orribile isteresi termica. Alternano in modo selvaggio, a volte congelando la pasta (che rovina permanentemente la sospensione del flusso) e altre volte lasciandola salire fino a 15°C. Se la pasta si congela, il flusso si separa. Nessuna mescolazione lo risolverà. Se vedi separazione o “crosta” su un nuovo barattolo, controlla il frigorifero, non il fornitore.

Un mito diffuso suggerisce che si possa “riscaldare rapidamente” la pasta mettendola su una fonte di calore o mescolandola vigorosamente. Questo è falso. L'unico modo sicuro per temperare la pasta è toglierla dal frigorifero e lasciarla, sigillata, a temperatura ambiente per almeno quattro o otto ore. Se non hai pianificato in anticipo e hai bisogno di pasta ora, sei sfortunato. Rompere il sigillo prima garantisce l'assunzione di umidità.

raschiare il Fondo

L'ultimo nemico della resa è la parsimonia mal collocata. La pasta saldante è costosa, spesso costando centinaia di dollari al chilogrammo. Questo porta i manager e gli operatori a trattarla come oro liquido, cercando di risparmiare ogni grammo. Vedi operatori raschiare la pasta secca e crostosa dai bordi lontani del movimento della spatola e rimetterla nel barattolo, o mescolarla con pasta fresca.

Questa “economia del raschietto” è matematicamente rovina. Quella pasta usata è stata esposta all'aria per ore. Il suo flusso è esaurito, la sua viscosità è scomparsa. Ha assorbito umidità e ossidazione. Mescolandola di nuovo, si contamina il materiale fresco. Considera il rapporto: 50 grammi di pasta sprecata costano forse tre dollari. Un singolo pannello BGA rifatto costa cinquanta dollari in tempo di tecnico, più il rischio di scartare l'intera PCBA. Se risparmi tre dollari per rischiare cinquanta, non stai risparmiando denaro.

Allo stesso modo, c'è una pressione costante per estendere la durata di conservazione. “È scaduta la settimana scorsa, possiamo ancora usarla?” La risposta dovrebbe sempre essere no. La degradazione chimica del flusso non è una suggestione; è una realtà. Il rischio di vuoti e giunti aperti aumenta ogni giorno oltre la scadenza. Se fai questa domanda, la gestione dell'inventario è il problema, non la data di scadenza.

La Disciplina è la Soluzione

La soluzione al cedimento a freddo e ai difetti “misteriosi” è raramente una nuova alleanza costosa o un modello rivestito di nanocoating. È una disciplina noiosa e rigida. È acquistare un termometro e igrometro $20 e posizionarlo proprio accanto alla stampante. È applicare una rigorosa “Non Aprire” per il tempo sulla pasta rimossa da stoccaggio a freddo. È dare agli operatori il potere di gettare via la pasta che è stata sulla maschera troppo a lungo, piuttosto che cercare di salvarla.

Il controllo del processo supera la scienza dei materiali. Puoi usare la pasta più costosa e resistente al cedimento Tipo 5 al mondo, ma se la tratti come spazzatura—se la bagnate, la congelate o la lasci fuori per 24 ore—fallirà. Al contrario, una linea disciplinata può usare SAC305 standard in un ambiente controllato e raggiungere tassi di difetti quasi nulli. La pasta di solito funziona. Assicurati che l'ambiente le consenta.