X-ray Void Analysis: Criteria die overeenkomen met de IPC-klasse

De Rorschach-test van de fabricage

Wanneer je voor het eerst kijkt naar een grijstinten röntgenafbeelding van een Ball Grid Array (BGA), is je instinct meestal alarm. Je ziet een donkerde cirkel (de soldeerbal) doorspekt met lichtere, onregelmatige vlekken. Het lijkt op een ziekte, een spons, of—voor de niet-ingewijden—een defect dat verwijderd moet worden.

In de inspectiekamer inspecteren we echter niet op esthetiek; we inspecteren op fysica. Die lichtere vlekken zijn holtes—gasbubbels die tijdens het reflowproces gevangen zitten. Ze zijn lelijk, ja. Maar in de meeste gevallen zijn ze structureel ongevaarlijk.

De uitdaging in de moderne elektronica-productie is niet het bereiken van een “perfecte” holtevrije soldeerverbinding, wat een ontzagwekkend dure en vaak schadelijke onderneming is. De uitdaging is het onderscheiden van de cosmetische holte die tien jaar in het veld overleeft en de structurele holte die barst onder thermische stress. Om dat te doen moeten we onze intuïtieve reactie op “lelijke” beelden negeren en volledig vertrouwen op de gebiedsverhoudingen gedefinieerd in IPC-A-610.

De 25%-regel

De industrienorm voor acceptabiliteit van elektronische assemblage, IPC-A-610, is verrassend vergevingsgezind als het gaat om holtes. Of je nu een product van Klasse 2 (laptops, industriële besturingen) of Klasse 3 (levensondersteuning, ruimtevaart) bouwt, de criteria voor BGA-holtes zijn vaak identiek. Volgens IPC-A-610 en diens partner J-STD-001 is een soldeerbal acceptabel, mits het cumulatieve holtegebied niet meer bedraagt dan 25% van het totale balgebied.

Dat getal schokt vaak mensen. Een holte van 25% in een kunststofopening lijkt enorm op een monitor—alsof een kwart van de verbinding ontbreekt. Maar de fysica vertelt een ander verhaal. Soldeer pasta, vooral standaard SAC305 loodvrije legeringen, bevat flux-gevaccineerde vluchtige stoffen die tijdens het reflowproces uitgassen. Als de tijd boven de vloeistoflijn kort is, of als het onderdeel zwaar is, wordt wat gas vastgehouden. Dit is natuurlijk. De resterende 75% van het soldeervolume is meer dan voldoende om de elektrische stroom te geleiden en mechanische schok te weerstaan.

Eigen studies en betrouwbaarheidgegevens uit de industrie tonen aan dat BGA-ballingen met 15–20% holtes vaak evenveel thermische cycli overleven als die met 1% holtes.

Er is een beweging, vaak aangewakkerd door high-end niche-fabrikanten, die suggereert dat enig Void is een mislukking. Je hoort misschien argumenten voor vacuümreflowovens, die de atmosfeer uit de kamer trekken tijdens het solderen om bellen in te laten storten. Als je bouwt voor een satelliet in de diepe ruimte waar reparatie onmogelijk is, is vacuümreflow een geldige, zij het dure, vereiste. Voor de andere 99% van elektronica is het najagen van nul voids een verspilling van geld en thermisch budget. Een bord ondergaan meerdere herstelde warmtecycli om een voldane 15% void te repareren, veroorzaakt meer schade aan de laminaten en koperen pads dan de void ooit zou doen.

De geometrie van acceptatie

Inspectie is een geometrische berekening, geen vibe-check. Wanneer een Geautomatiseerde Röntgeninspectie (AXI) machine of een menselijke operator een BGA beoordeelt, is de taak om het geprojecteerde gebied van de voids te berekenen ten opzichte van het geprojecteerde gebied van de bal. Het is een eenvoudige verhouding: (Som van Void Gebieden) / (Totaal Bal Gebied). Als de bal 20 mils in diameter is, meten we het pixelaantal van de lichte vlekken versus de donkere cirkel.

Void zien er zelden uit als perfecte cirkels. Ze verschijnen vaak als "Zwitserse kaas"—clusters van kleine bellen die samenkomen en scheiden. Het berekenen van het exacte gebied van deze onregelmatige vormen is een schatting, zelfs voor geavanceerde algoritmen. De machine tekent een omtrek rondom de voidclusters en telt ze op.

Wanneer het resultaat vlak bij de limiet ligt—zeg, 24% of 26%—wordt menselijke beoordeling cruciaal. We moeten kijken naar de beeldgetrouwheid. Is dat een grote enkele void, of een cluster van kleine? De standaard staat cumulatieve berekening toe, wat betekent dat veel kleine bellen hetzelfde tellen als één grote, zolang ze andere regels over locatie niet overtreden.

De uitzondering voor thermische pads (QFN/BTC)

Criteria verschuiven drastisch wanneer we weggaan van signaalpinnen (BGAs) naar thermische pads. Componenten zoals QFNs (Quad Flat No-leads) en andere Bottom Termination Components (BTC's) hebben een groot blootgesteld pad in het midden, voornamelijk voor warmteafvoer, niet voor elektrisch signaal. Omdat het een groot, vlak oppervlak is dat gesoldeerd is op een bijpassend groot, vlak pad op de PCB, heeft uitgassing nergens heen. Het is als pizzadeeg platmaken zonder luchtbellen vast te houden; het is bijna onmogelijk.

Bijgevolg is de IPC-limiet voor deze thermische pads aanzienlijk hoger, meestal tot 50% voiding toestaat. Ingenieurs in paniek raken vaak wanneer ze een QFN-thermische pad zien dat eruitziet als honingraat, en het afkeuren. Maar als dat pad met 50% gesoldeerd is, is de thermische overdrachtsefficiëntie meestal voldoende voor de rating van het component. Terwijl datasheets van fabrikanten zoals TI of Analog Devices soms strengere limieten specificeren voor RF-toepassingen met hoog vermogen, is 50% de standaard voor algemene digitale logica.

Als je consequent enorme voids ziet in deze thermische pads—zeg 60% of hoger—is het probleem zelden het reflowprofiel. Het is bijna altijd het sjablon ontwerp. Een opening van 1:1 in de opening (waar het gat in het sjabloon dezelfde grootte heeft als het pad) deponeert te veel pasta, waardoor vluchtige stoffen in het midden gevangen zitten. De oplossing is niet het oven aanpassen, maar een "raam-paneel"-sjabloonontwerp te gebruiken. Het grote vierkant verdelen in kleinere panelen met kanalen laat gas ontsnappen, waardoor voiding vaak van 60% naar 15% overnacht vermindert.

Locatie is de echte killer

Terwijl de grootte van de void alle aandacht krijgt, is de locatie wat kwaliteitsingenieurs wakker houdt 's nachts. Een grote "bulk void" die onschuldig in het midden van een soldeerb 💡 ligt, vormt zelden een betrouwbaarheid bedreiging omdat het omringd is door vast metaal. De gevaarlijke voids zijn degenen die de interface raken—de grens tussen het soldeer en de componentpad, of het soldeer en de PCB-pad.

Wij noemen deze “Champagne-voorraden” omdat ze zich bij de interface verzamelen als bellen in een glas. Ook al vormen deze voorraden slechts 5% van het oppervlak, ze kunnen rampzalig zijn. Ze creëren een stressconcentratiepunt precies waar de intermetallische verbinding (IMC) ontstaat. Onder schokken of vibraties kan er een scheur ontstaan bij die voorraad en zich door de plaat voortzetten, waardoor de verbinding wordt verbroken. Een 5% interface-voorrad is oneindig erger dan een 20% bulk-voorrad. Daarom kunnen automatische pass/fail-cijfers misleidend zijn; een machine kan een bord doorlaten met 5% voorraad dat een menselijke oog zou afwijzen omdat die 5% recht op het padoppervlak zit.

Dit is ook waar verwarring vaak ontstaat over “Head-in-Pillow” (HiP) defecten. Je zou een vorm kunnen zien die lijkt op een voorraad of een vreemd dubbelcirkel op de röntgenfoto, maar HiP is helemaal geen voorraad. Het is een open circuit waar de bal vervormd is maar niet samengesmolten met de pasta—het lijkt op een sneeuwpop of een hoofd dat op een kussen rust. In tegenstelling tot een voorraad, die een procesindicator is, is HiP een functioneel defect. Laat de terminologie je niet verwarren; als je HiP hebt, heb je een open, geen voorraadprobleem.

De vals-positieve valstrik

Moderne röntgentoestellen zijn ongelooflijk, maar ze zijn niet alwetend. Ze hebben moeite met achtergrondruis. Als je een via (een gelapte gat) hebt direct onder een BGA-pad, ziet de röntgen het lucht inside de via-buis en markeert het als een voorraad in de soldeerbout. Dit is een klassiek vals-positief waarbij de software een dichtheidsverandering ziet en roept ‘Defect!’

We beoordelen deze “bottenstapels” van afgewezen beelden dagelijks. In veel gevallen is wat de machine als een 30% voorraad markeert, eigenlijk een perfect gesoldeerde bal die op een getente via ligt. We moeten de locatie van de via in de ontwerpbestanden verifiëren om het te bevestigen. Als we de beoordeling van de machine blindelings zouden accepteren, zouden we perfect goede hardware afkeuren of opnieuw bewerken.

Betrouwbaarheid boven perfectie

Het doel van inspectie is betrouwbaarheid, niet geometrische perfectie. Door de limieten van IPC Class 2 en 3 te volgen—25% voor signaalballen, 50% voor thermopads—en onze aandacht te richten op gevaarlijke interface-voorraden in plaats van onschadelijke bulk-voorraden, beschermen we het product zonder de opbrengst te vernietigen. We accepteren dat soldeer een dynamisch, organisch materiaal is dat uitgast en beweegt. Zolang de cijfers en de fysica overeenkomen, wordt het bord verzonden.