X선 결함 분석: IPC 등급에 맞는 기준

제조의 로샤흐 검사

처음 그레이스케일 X선 이미지를 볼 때, 당신의 본능은 보통 경고입니다. 어두운 원(납땜 볼)이 더 밝고 불규칙한 얼룩으로 뒤덮인 모습을 봅니다. 이것은 질병이나 스펀지처럼 보이거나, 또는 비전문가에게는 제거해야 할 결함으로 보일 수 있습니다.

검사실에서는 미학을 위해 검사하지 않으며, 물리학을 위해 검사합니다. 더 밝은 얼룩들은 내부에 포획된 가스 주머니, 즉 공극입니다. 그것은 보기 흉하지만, 대부분의 경우 구조적으로 무해합니다.

현대 전자제조에서의 도전 과제는 '완벽한' 무공극 솔더 조인트를 달성하는 것이 아니라, 비용이 너무 높거나 손상 가능성이 높아 불가능한 추구입니다. 도전 과제는 표면상 결함이 10년간 현장에서 견딜 수 있는 미용적 결함인지, 아니면 열 스트레스 하에서 균열이 생길 구조적 결함인지 구별하는 것입니다. 이를 위해 우리는 ‘못생긴’ 이미지를 본즉각적으로 판단하는 직감은 무시하고, IPC-A-610에서 정의된 면적 비율만 의존해야 합니다.

25% 규칙

전자조립 허용 기준인 IPC-A-610은 결함에 대해 놀랍도록 너그럽습니다. 클래스 2 제품(노트북, 산업 제어기) 또는 클래스 3 제품(생명 유지, 항공우주)을 제작하든, BGA 결함 기준은 종종 동일합니다. IPC-A-610과 동반 표준인 J-STD-001에 따라, 솔더 볼이 허용되는 것은 결함 전체 면적이 총 볼 면적의 25%를 넘지 않는 경우입니다.

그 숫자는 보통 사람들을 충격에 빠뜨립니다. 25% 결함은 모니터상에서 거대하게 보이는데,—연결의 1/4이 빠진 것처럼 보입니다. 하지만 물리학적 설명은 다릅니다. 솔더 페이스트, 특히 표준 SAC305 무연 합금은 재상성 동안 가스가 배출되어야 하는 플럭스 휘발성분을 포함하고 있으며, 유동상 시간이나 부품이 무거울수록 일부 가스가 포획됩니다. 이것은 자연스러운 일입니다. 나머지 75%의 솔더 부피는 전기 전류를 전달하고 기계적 충격을 견디기에 충분합니다.

사실, 내부 조사와 산업 신뢰성 데이터는 15–20% 결함이 있는 BGA 볼이 1% 결함과 같은 수의 열적 사이클을 버틴다는 것을 보여줍니다.

종종 고급 틈새 제조업체들이 추진하는 움직임이 있는데, 그 어떤 것도 무효는 실패입니다. 진공 재흐름 오븐, 즉 조립 시 챔버에서 대기를 빼내어 거품을 붕괴시키는 진공 열처리에 대한 주장도 들릴 수 있습니다. 수리 불가능한 심우주 위성을 위한 제작이라면, 진공 재흐름은 유효하나 비용이 비쌀 뿐입니다. 기타 전자기기 99%에 대해 무효를 제로로 만드는 것은 돈과 열 예산을 낭비하는 일입니다. 보드에 여러 번 재작업 열 사이클을 가하여 15%의 무효를 교정하는 것은 무효보다 더 많은 손상을 적층판과 구리패드에 초래합니다.

수용의 기하학

검사는 기하학적 계산이지 분위기 체크가 아닙니다. 자동 엑스선 검사(AXI) 기계 또는 인력 검토 시, 공정은 볼 전체에 대해 무효의 예상 면적을 계산하는 것입니다. 이는 간단한 비율로: (무효 면적 합계) / (볼 전체 면적)입니다. 볼이 직경 20밀인 경우, 우리는 빛 점과 어두운 원의 픽셀 수를 측정하는 것입니다.

그러나 무효는 거의 완벽한 원이 아닙니다. 종종 '스위스 치즈'처럼 작은 거품이 merging, 분리된 군집으로 나타납니다. 이러한 불규칙한 모양의 정확한 면적을 계산하는 것은 최고의 알고리즘조차 추정에 불과합니다. 기계는 무효군락 주변에 윤곽선을 그리고 합산합니다.

결과가 한계에 딱 맞게 표시될 때—예를 들어 24% 또는 26%—인간 판단이 매우 중요해집니다. 이미지를 자세히 살펴봐야 합니다. 그것이 큰 무효인지 작은 무효군이 집합인지요? 표준은 누적 계산을 허용하며, 수많은 작은 버블들이 하나의 큰 무효와 동일하게 계산됩니다. 단, 위치에 관한 규칙을 위반하지 않는 경우입니다.

열 패드 예외 (QFN/BTC)

신호 핀(BGA)에서 벗어날수록 기준이 크게 바뀝니다. 예를 들어 QFN(Quad Flat No-leads)과 기타 하단 종료 부품(BTC)은 주로 열 방출을 위해 중앙에 놓인 큰 노출 패드가 있는데, 이는 전기 신호를 위한 것이 아닙니다. 크고 평평한 표면에 납땜된 큰 평평한 패드이기 때문에, 가스가 빠질 곳이 없습니다. 피자 도우를 평평하게 펴되 공기 방울을 가두지 않는 것과 비슷하며, 거의 불가능합니다.

이 때문에 이러한 열패드에 대한 IPC 제한치는 훨씬 높으며, 보통 50%까지 허용합니다. 엔지니어들은 하니콤처럼 보이는 QFN 열패드를 보고 불합격 처리하는 경우가 많지만, 만약 이 패드가 50% 납땜된 것이라면, 열전달 효율은 일반적으로 부품의 정격에 충분합니다. TI 또는 아날로그 디바이스 같은 제조사의 데이터시트는 고전력 RF 애플리케이션에 더 엄격한 제한을 명시할 수도 있지만, 50%는 일반 디지털 로직에 대한 표준입니다.

이러한 열패드에서 일관되게 거대한 무효를 목격한다면—예를 들어 60% 이상—문제는 거의 리플로우 프로파일이 아닙니다. 거의 항상 스텐실 디자인입니다. 1:1 구멍 오픈(스텐실의 구멍 크기가 패드와 동일한 경우)은 페이스트를 과도하게 넣어 증기성분을 중앙에 가두게 만듭니다. 해결책은 오븐을 조정하는 것이 아니라 ‘윈도우-판’ 스텐실 디자인을 사용하는 것입니다. 큰 사각형을 채널이 있는 더 작은 판으로 나누면 가스가 빠져나가며, 종종 다음 날 무효를 60%에서 15%로 낮출 수 있습니다.

위치는 진짜 범인

빈 공간의 크기가 모두 관심을 끌 때, 크기 이 모두 관심을 끌 때, 그 위치 은 품질 엔지니어를 밤새게 하는 것. 솔더 볼 중앙에 무해하게 떠있는 큰 “대량 빈 공간”은 주변이 단단한 금속으로 둘러싸여 있기 때문에 신뢰성 위협이 드물다. 위험한 빈 공간은 인터페이스와 접촉하는 것—즉, 솔더와 부품 패드 또는 솔더와 PCB 패드 사이의 경계—에 있는 것들이다.

이것들을 '샴페인 공허'라고 부르는데, 이는 유리잔 속의 거품처럼 인터페이스에서 모이기 때문입니다. 이 공허가 전체 면적의 5%만 차지하더라도 치명적일 수 있습니다. 이들은 금속간 화합물(IMC)이 형성되는 바로 그 위치에 응력 집중점을 만듭니다. 낙하 충격이나 진동 하에서, 그 공허에서 균열이 시작되어 패드 전체를 가로질러 진행되어 연결을 끊을 수 있습니다. 5% 인터페이스 공허는 20% 대량 공허보다 무한히 더 나쁩니다. 이것이 자동 통과/실패 숫자가 오해를 불러일으킬 수 있는 이유입니다; 기계는 인간의 눈이 거부할 5% 공허가 있는 보드를 통과시킬 수도 있기 때문입니다, 왜냐하면 그 5%는 패드 표면 바로 위에 있기 때문입니다.

이것은 또한 '헤드 인 필로우'(HiP) 결함에 관한 혼란이 자주 발생하는 곳입니다. X선 상에서 공허 또는 이상한 이중 원처럼 보이는 모양을 볼 수 있지만, HiP는 전혀 공허가 아닙니다. 이는 볼이 변형되었지만 페이스트와 융합되지 않은 개방 회로로, 눈사람이나 베개에 기대어 있는 머리처럼 보입니다. 공허는 공정 지표인 반면, HiP는 기능적 결함입니다. 용어에 혼동하지 말고; 만약 HiP가 있다면, 이는 공허가 아니라 개방된 상태입니다.

거짓 양성 함정

현대 X선 기계는 놀라울 정도이지만 만능은 아닙니다. 배경 소음과 씨름합니다. BGA 패드 바로 아래에 위치한 비아(도금 구멍)가 있으면, X선은 비아 내부의 공기를 보고 이를 납땜 볼의 공허로 표시합니다. 이것은 소프트웨어가 밀도 변화를 보고 '결함!'이라고 소리치는 전형적인 오판입니다.

우리는 매일 이 '뼈더미'와 같은 거부된 이미지를 검토합니다. 많은 경우, 기계가 30% 공허로 표시한 것이 실제로는 텐팅 비아 위에 완벽하게 납땜된 볼입니다. 우리는 설계 파일에서 비아의 위치를 확인하여 검증해야 합니다. 기계의 판단을 맹목적으로 따르면, 우리는 완벽하게 정상인 하드웨어를 폐기하거나 재작업하게 됩니다.

완벽보다 신뢰성

검사의 목표는 신뢰성이지 기하학적 완벽도가 아닙니다. IPC 클래스 2와 3의 한계인 25% (신호 볼)와 50% (열 패드)를 준수하고, 무해한 대량 공허보다는 위험한 인터페이스 공허에 초점을 맞춤으로써, 우리는 결실을 파괴하지 않으면서 제품을 보호합니다. 솔더는 가스 방출과 이동이 가능한 역동적이고 유기적인 재료임을 받아들입니다. 숫자와 물리학이 일치하는 한, 보드는 발송됩니다.