Analisi dei vuoti a raggi X: criteri che corrispondono alla classe IPC

Il Test di Rorschach della Produzione

Quando si guarda per la prima volta un'immagine radiografica in scala di grigi di un Ball Grid Array (BGA), l'istinto è solitamente di allarme. Si vede un cerchio scuro (la pallina di saldatura) punteggiato di chiazze più chiare e irregolari. Sembra una malattia, una spugna, o—per i non iniziati—un difetto che deve essere eliminato.

Nella sala di ispezione, tuttavia, non ispezioniamo per l'estetica; ispezioniamo per la fisica. Quelle chiazze più chiare sono vuoti—tasche di gas intrappolate durante il processo di riflusso. Sono brutti, sì. Ma nella stragrande maggioranza dei casi, sono strutturalmente innocui.

La sfida nella produzione elettronica moderna non è ottenere un giunto saldato "perfetto" senza vuoti, che è un'impresa proibitivamente costosa e spesso dannosa. La sfida è distinguere tra il vuoto cosmetico che sopravvivrà dieci anni sul campo e il vuoto strutturale che si romperà sotto stress termico. Per farlo, dobbiamo ignorare la reazione istintiva alle immagini “brutte” e affidarci completamente ai rapporti di area definiti in IPC-A-610.

La Regola 25%

Lo standard industriale per l'accettabilità dell'assemblaggio elettronico, IPC-A-610, è sorprendentemente indulgente quando si tratta di vuoti. Che tu stia costruendo un prodotto di Classe 2 (portatili, controlli industriali) o di Classe 3 (supporto vitale, aerospaziale), i criteri per i vuoti nelle BGA sono spesso identici. Per IPC-A-610 e il suo compagno J-STD-001, una pallina di saldatura è accettabile purché l'area cumulativa del vuoto non superi 25% della superficie totale della pallina.

Quel numero di solito sorprende le persone. Un vuoto di 25% sembra enorme su un monitor—come se un quarto della connessione fosse mancante. Ma la fisica racconta una storia diversa. La pasta di saldatura, in particolare le leghe senza piombo SAC305 standard, contiene volatili del flusso che devono fuoriuscire durante il riflusso. Se il tempo sopra il liquidus è breve, o se il componente è pesante, alcuni gas rimangono intrappolati. Questo è naturale. Il restante 75% del volume di saldatura è più che sufficiente a condurre la corrente elettrica e resistere allo shock meccanico.

In effetti, studi interni e dati di affidabilità del settore mostrano che le palline BGA con vuoti del 15–20% spesso sopravvivono a tanti cicli termici quanto quelle con vuoti dell'1%.

Esiste un movimento, spesso promosso dai produttori di nicchia di fascia alta, che suggerisce che qualsiasi vuoto sia un fallimento. Potresti ascoltare argomentazioni a favore di forni a vuoto, che aspirano l'atmosfera dalla camera durante la saldatura per far collassare le bolle. Se stai costruendo per un satellite di profondità spaziale dove la riparazione è impossibile, il reflow a vuoto è un requisito valido, anche se costoso. Per gli altri 99% di elettronica, inseguire zero vuoti è una perdita di denaro e di budget termico. Sogliare una scheda con più cicli di calore di rifacimento per riparare un vuoto di 15% compliant fa più danni al laminato e alle piazzole di rame di quanto il vuoto stesso farebbe.

La Geometria dell'Accettazione

L'ispezione è un calcolo geometrico, non un controllo delle vibrazioni. Quando una macchina di Ricerca a Raggi-X automatica (AXI) o un operatore umano esamina un BGA, il compito è calcolare l'area proiettata dei vuoti rispetto all'area proiettata della sfera. È un rapporto semplice: (Somma delle aree dei vuoti) / (Area totale della sfera). Se la sfera ha un diametro di 20 mils, stiamo misurando il conteggio dei pixel delle macchie di luce rispetto al cerchio scuro.

Tuttavia, i vuoti sono raramente cerchi perfetti. Spesso appaiono come “formaggio svizzero”—cluster di minuscole bolle che si fondono e si separano. Calcolare l'area esatta di queste forme irregolari è una stima, anche per algoritmi avanzati. La macchina traccia un perimetro attorno ai cluster di vuoti e li somma.

Quando il risultato si avvicina al limite—ad esempio, 24% o 26%—il giudizio umano diventa fondamentale. Dobbiamo guardare la fedeltà dell'immagine. È un vuoto grande singolo o un cluster di piccoli? Lo standard consente il calcolo cumulativo, il che significa che molte minuscole bolle contano come una grande, purché non violino altre regole sulla posizione.

L'Eccezione del Pad Termico (QFN/BTC)

I criteri cambiano drasticamente quando si passa dai pin di segnale (BGA) ai pad termici. Componenti come QFNs (Quad Flat No-leads) e altri componenti di terminazione inferiore (BTC) hanno un grande pad esposto al centro, principalmente per dissipare calore, non per segnale elettrico. Poiché è una grande superficie piatta saldata su un pad grande e piatto corrispondente sul PCB, la fuoriuscita di gas non ha dove andare. È come appiattire l'impasto della pizza senza intrappolare bolle d'aria; è quasi impossibile.

Di conseguenza, il limite IPC per questi pad termici è significativamente più alto, permettendo di solito fino al 50% di vuoti. Gli ingegneri spesso impanicano quando vedono un pad termico QFN che assomiglia a un alveare, segnalandolo come rifiutato. Ma se quel pad è saldato con un 50%, l'efficienza di trasferimento termico è di solito sufficiente per la sua classificazione. Mentre i datasheet di produttori come TI o Analog Devices a volte specificano limiti più severi per applicazioni RF ad alta potenza, 50% è lo standard per la logica digitale generale.

Se si vedono costantemente vuoti massicci in questi pad termici—ad esempio, 60% o superiore—il problema raramente è il profilo di reflow. È quasi sempre il design dello stencil. Un'apertura di apertura 1:1 (dove il foro nello stencil è delle stesse dimensioni del pad) deposita troppa pasta, intrappolando vapori al centro. La soluzione non è modificare il forno, ma usare un design stencil “a finestra”. Suddividere il grande quadrato in pannelli più piccoli con canali permette ai gas di uscire, spesso riducendo i vuoti da 60% a 15% durante la notte.

La posizione è il vero colpevole

Mentre il dimensione di ciò che è vuoto riceve tutta l'attenzione, il posizione è ciò che tiene svegli i tecnici della qualità durante la notte. Un grande "vuoto in massa" che galleggia benignamente al centro di una pallina di saldatura è raramente una minaccia per l'affidabilità perché è circondato da metallo solido. I vuoti pericolosi sono quelli che toccano l'interfaccia—il confine tra la saldatura e il pad del componente, o tra la saldatura e il pad del PCB.

Li chiamiamo "vuoti Champagne" perché si raccolgono all'interfaccia come bolle in un bicchiere. Anche se questi vuoti rappresentano solo il 5% dell'area, possono essere catastrofici. Creano un punto di concentrazione di stress proprio dove si forma il composto intermetallico (IMC). Sotto urti da caduta o vibrazioni, può iniziare una crepa in quel vuoto e propagarsi attraverso il pad, interrompendo la connessione. Un vuoto all'interfaccia del 5% è infinitamente peggiore di un vuoto in massa del 20%. Per questo i numeri di superamento/fallimento automatizzati possono essere ingannevoli; una macchina potrebbe passare una scheda con un vuoto del 5% che un occhio umano rifiuterebbe perché quel 5% si trova proprio sulla superficie del pad.

È anche qui che spesso sorge confusione riguardo ai difetti "Testa-in-Ciambella" (HiP). Potresti vedere una forma che sembra un vuoto o un doppio cerchio strano nelle radiografie, ma HiP non è affatto un vuoto. È un circuito aperto in cui la pallina si è deformata ma non si è coalescita con la pasta—sembra un bufalo o una testa che riposa su un cuscino. A differenza di un vuoto, che è un indicatore di processo, HiP è un guasto funzionale. Non lasciarti ingannare dalla terminologia; se hai HiP, hai un circuito aperto, non un problema di vuotatura.

La Trappola del Falso Positivo

Le macchine a radiografia moderne sono incredibili, ma non sono onniscienti. Hanno difficoltà con il rumore di fondo. Se hai una via (buco placcato) situata direttamente sotto un pad BGA, la radiografia vede l'aria dentro il tubo della via e la segnala come un vuoto nella pallina di saldatura. Questo è un falso positivo classico in cui il software vede una variazione di densità e grida “Difetto!”.

Esaminiamo quotidianamente questi "mucchi di ossa" di immagini rifiutate. In molti casi, ciò che la macchina ha segnalato come un vuoto del 30% è in realtà una pallina di saldatura perfettamente saldata sopra una via coperta. Dobbiamo verificare la posizione della via nei file di progettazione per confermarlo. Se accettassimo ciecamente il giudizio della macchina, staremmo scartando o rielaborando hardware perfettamente funzionante.

Affidabilità su Perfezione

Lo scopo dell'ispezione è l'affidabilità, non la perfezione geometrica. Seguendo i limiti IPC di Classe 2 e 3—25% per le palline di segnale, 50% per le pad termiche—e focalizzandoci sui vuoti pericolosi all'interfaccia piuttosto che sui vuoti innocui in massa, proteggiamo il prodotto senza compromettere la resa. Accettiamo che la saldatura sia un materiale organico e dinamico che sgasa e si muove. Finché i numeri e la fisica sono in accordo, la scheda viene spedita.