Termiczne kłamstwo: Dlaczego Twoje kryteria pustek zawodzą Twój sprzęt

W produkcji elektroniki mocy panuje powszechne przesądzenie, że piękny obraz rentgenowski oznacza niezawodną część. Widzisz to na liniach produkcyjnych od Shenzhen po Guadalajarę: kierownik jakości zatrzymujący partię QFN, ponieważ procent pustek osiągnął 28% zamiast arbitralnych 25% narzuconych przez IPC-A-610. Tymczasem linia zatrzymuje się, „złe” płytki są złomowane lub przerabiane, a wszyscy klepią się po plecach za wykrycie defektu.

To nie jest inżynieria niezawodności. To konkurs piękności.

Fizyka nie przejmuje się twoimi progami skali szarości. Fizyka interesuje się tylko ścieżką termiczną od złącza do otoczenia. Jeśli priorytetem jest procent pustek zamiast ich lokalizacji, prawdopodobnie złomujesz dobre podzespoły, pozwalając jednocześnie niebezpiecznym częściom przejść niezauważonym.

Problem polega na tym, że pozwoliliśmy, by standardy wykonania — które doskonale nadają się do określania, czy proces się przesuwa — udawały fizykę niezawodności. Standard taki jak IPC-A-610 Klasa 3 to binarny wskaźnik zaliczenia/niezaliczenia zaprojektowany do sporów kontraktowych i wizualnej spójności, a nie do przewidywania, czy MOSFET przetrwa dziesięcioletni cykl pracy w inwerterze trakcyjnym samochodu.

Kiedy traktujesz limit pustek 25% jako twardą granicę awarii termicznej, ignorujesz pojęcie „Budżetu Termicznego”. Część z 30% pustek może mieć rezystancję termiczną złącze-obudowa (Rth-jc) statystycznie identyczną z częścią z 10% pustek, w zależności całkowicie od tego, gdzie te pustki się znajdują. Musimy przestać audytować cienie i zacząć inżynierować przepływ ciepła.

Geografia zamiast geometrii

Ciepło płynie jak woda, wybierając ścieżkę o najmniejszym oporze, i nie rozprowadza się równomiernie po całej powierzchni przylutowania układu scalonego.

Weźmy wysokoprądowy PowerQFN 5×6. W testach możesz natknąć się na jednostkę z ogromną ilością pustek — sięgającą 45% — spowodowaną agresywnym odgazowywaniem topnika. Dla oka rentgena wygląda to na katastrofę, szwajcarski ser lutowniczy, który powinien natychmiast się spalić. Ale jeśli zmapujesz te pustki, często okaże się, że są to „bąbelki szampańskie” skupione całkowicie wokół obwodu podkładki, spowodowane siłami zwilżania podczas przepływu. Centrum podkładki, bezpośrednio pod aktywnym gorącym miejscem krzemowego układu, jest solidne.

Gdy uruchomisz tę „nieudaną” część na stanowisku dynodowym z termoparą lub testerem termicznym przejściowym, wynik często jest zaskakujący: wzrost temperatury złącza (Tj) mieści się w 2°C od „idealnej” jednostki kontrolnej. Ciepło generowane w centrum układu ma bezpośrednią, nieprzerwaną ścieżkę miedzianą do ramki wyprowadzeń. Pustki na obrzeżach są termicznie nieistotne, ponieważ ciepło nigdy nie musiało przez nie przechodzić, aby uciec.

Z drugiej strony możesz mieć część z zaledwie 8% całkowitych pustek — „zaliczoną” według każdego standardu — gdzie ta pojedyncza pustka to duża bańka uwięziona bezpośrednio pod gorącym miejscem układu. Ta lokalna izolacja tworzy ogromne wąskie gardło termiczne, prowadząc do zagęszczenia prądu i szybkiego skoku Tj, którego nie pokryje żadna marginesowa wartość z karty katalogowej. Procent jest niski, ale ryzyko niezawodności krytyczne.

Tutaj zawodzi obsesja branży na punkcie prostych liczb. Zależność między procentem pustek a rezystancją termiczną nie jest liniowa; jest geometryczna i silnie zależna od konkretnej architektury obudowy (np. LFPAK vs. D2PAK).

Kusi, aby szukać magicznego rozwiązania, takiego jak spiekanie srebra, zakładając, że gęstszy, pozbawiony pustek materiał rozwiąże problem. Jednak choć spiekanie oferuje wyższą przewodność cieplną, wprowadza własne problemy, szczególnie związane z delaminacją na interfejsach dużych układów scalonych. Jeśli zmienisz materiały bez zrozumienia geografii przepływu ciepła, po prostu wymieniasz jeden tryb awarii na droższy.

Paradoks zerowej pustki

Istnieje ciemniejsza strona dążenia do „idealnego” połączenia lutowanego, która często zaskakuje zespoły radzące sobie z ostrymi cyklami termicznymi (-40°C do 125°C).

Analizowałem zwroty z eksploatacji modułów trakcyjnych o wysokiej niezawodności, gdzie dane z inspekcji rentgenowskiej z fabryki wykazywały niemal zerową ilość pustek na podłożach DBC (Direct Bonded Copper). Wyglądały bezbłędnie. Jednak w terenie połączenia lutowane pękały i ulegały zmęczeniu przedwcześnie. Dochodzenie wykazało, że brak pustek był faktycznie objawem zbyt cienkiej warstwy lutowniczej.

W pośpiechu, by wyeliminować puste przestrzenie, proces został dostrojony tak, aby mocno ścisnąć obudowę, pozostawiając niemal zerową wysokość odstępu lutowniczego, który mógłby działać jako mechaniczna poduszka. Lut jest materiałem podatnym; potrzebuje objętości, aby absorbować różnicę współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) między sztywnym krzemem/ramką a PCB.

Gdy osiągasz „zero pustek” przez zmiażdżenie warstwy lutowniczej, usuwasz to odciążenie naprężeń. Niewielka ilość rozproszonych pustek może faktycznie zatrzymać propagację pęknięć, działając jako przerwa naprężeniowa w sieci krystalicznej. Idealnie solidne, mikroskopijnie cienkie połączenie przenosi całe to naprężenie mechaniczne bezpośrednio na warstwy międzymetaliczne, prowadząc do pęknięć zmęczeniowych, które przerywają ścieżkę termiczną znacznie szybciej niż kilka pęcherzyków. Zero nie jest celem; często idealne połączenie bez pustek to po prostu krucha awaria czekająca na zdarzenie.

Przestań zgadywać, zacznij mierzyć

Jeśli nie możesz polegać na procentowym wyniku rentgenowskim, jak zweryfikować proces? Musisz przestać patrzeć na dwuwymiarowe cienie i zacząć mierzyć dynamiczną odpowiedź termiczną. Statyczna rezystancja termiczna (Rth) jest użyteczna, ale przejściowa impedancja termiczna (Zth) jest prawdziwym wskaźnikiem. Stosowanie metod opisanych w JEDEC JESD51-14, szczególnie metody podwójnego interfejsu, pozwala zobaczyć propagację ciepła przez układ w czasie.

Analizując krzywą funkcji struktury generowaną przez T3Ster lub podobne urządzenie, możesz dokładnie określić, gdzie występuje wąskie gardło termiczne. Możesz rozróżnić pustkę na interfejsie przylegania układu od delaminacji na warstwie miedzi do FR4. To jedyny sposób, aby udowodnić, czy pustka jest „izolująca” (blokująca ścieżkę), czy „nieistotna” (znajdująca się w martwej strefie).

Wymaga to inwestycji w sprzęt laboratoryjny i cierpliwości do interpretacji złożonych krzywych, ale przenosi rozmowę z „to wygląda brzydko” na „to działa o 15°C gorzej”. To dane, które możesz przedstawić klientowi lub inspektorowi zgodności, aby uzasadnić odstępstwo od standardowych specyfikacji.

Inżynieria wyjścia

Zanim poprosisz kierownictwo o pół miliona dolarów na zakup pieca do lutowania próżniowego, aby zmniejszyć liczbę pustek, przyjrzyj się projektowi swojego szablonu. Lutowanie próżniowe to potężne narzędzie, ale często jest używane jako podpórka dla słabego inżynierii procesu. Najczęstszą przyczyną powstawania pustek w dużych padach termicznych jest proste uwięzienie gazów — lotne składniki topnika nie mają dokąd uciec podczas fazy namaczania.

Często można zmniejszyć ilość pustek z poziomu niezaliczonego 35% do zaliczonego 15% po prostu zmieniając projekt apertury z pojedynczego dużego bloku na siatkę typu „okienko”. Tworzy to kanały dla ulatniającego się topnika, które pozwalają mu uciec zanim lut osiągnie stan ciekły. Połącz to z optymalizacją profilu — dostosuj czas namaczania, aby zapewnić pełną aktywację lotnych składników — i często możesz rozwiązać problem za koszt nowego szablonu ($300) zamiast nowego pieca ($500k).

Ostatecznie twoim celem jest napisanie specyfikacji procesu, która odzwierciedla rzeczywistość. Nie kopiuj i nie wklejaj limitów IPC Klasy 3 do swojego rysunku głównego, chyba że lubisz kłócić się z producentem kontraktowym. Zdefiniuj swoje kryteria na podstawie fizyki twojej konkretnej gęstości mocy:

1. Zdefiniuj Strefy Krytyczne: Określ, że pustki pod termicznym padem układu scalonego (gorącym punktem) są ważone mocniej niż pustki peryferyjne.
2. Nakazuj Kontrolę Warstwy Lutowniczej: Ustaw minimalne wysokości dystansowe, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym naprężeniami.
3. Użyj Zth do weryfikacji: Kwalifikuj proces za pomocą testów termicznych przejściowych, a następnie używaj rentgena tylko jako monitora procesu, aby upewnić się, że nic się nie zmienia.

Niezawodność polega na zapewnieniu działania urządzenia, a nie na upiększaniu zdjęć rentgenowskich do zdjęć stockowych.