Analiza pustek RTG: Kryteria dopasowane do klasy IPC

Test Rorschacha w produkcji

Kiedy po raz pierwszy spojrzysz na obraz rentgenowski Siatki Kulowej (BGA) w odcieniach szarości, Twoja intuicja zazwyczaj podpowiada alarm. Widzi się ciemny okrąg (kulę lutowniczą) z jaśniejszymi, nieregularnymi plamami. Wygląda to jak choroba, gąbka, albo — dla niezaawansowanych — defekt, który trzeba usunąć.

W pokoju inspekcyjnym jednak nie sprawdzamy estetyki; sprawdzamy fizykę. Te jaśniejsze plamy to puste przestrzenie — kieszenie gazu uwięzione podczas procesu reflow. Są brzydkie, tak. Ale w większości przypadków są strukturalnie niegroźne.

Wyzwanie we współczesnym produkcji elektroniki nie polega na osiągnięciu „idealnego” bezpusteowego złącza lutowniczego, co jest kosztowne i często szkodliwe. Wyzwanie polega na odróżnieniu kosmetycznych pustek, które przetrwają dziesięć lat w terenie, od strukturalnych pustek, które pękną pod obciążeniem termicznym. Aby to zrobić, musimy zignorować odruchowe reakcje na „brzydkie” obrazy i całkowicie polegać na stosunkach powierzchni zdefiniowanych w IPC-A-610.

Reguła 25%

Standard branżowy dla akceptowalności montażu elektronicznego, IPC-A-610, jest zaskakująco wyrozumiały, jeśli chodzi o pustki. Niezależnie od tego, czy budujesz produkt klasy 2 (laptopy, kontrolery przemysłowe), czy klasy 3 (wsparcie życia, lotnictwo), kryteria pustek w BGA są często identyczne. Według IPC-A-610 i towarzyszącego J-STD-001, kula lutownicza jest akceptowalna, o ile łączna powierzchnia pustek nie przekracza 25% całkowitej powierzchni kuli.

Ta liczba zazwyczaj szokuje ludzi. Pustka 25% na monitorze wygląda ogromnie — jakby zabrakło ćwierci połączenia. Ale fizyka opowiada inną historię. Pasta lutownicza, szczególnie standardowe stopu wolne od ołowiu SAC305, zawiera lotne składniki topnika, które muszą się odgazować podczas reflow. Jeśli czas powyżej płynności jest krótki, lub jeśli element jest ciężki, niektóre gazy zostają uwięzione. To naturalne. Pozostałe 75% objętości lutowniczej jest wystarczające, by przewodzić prąd elektryczny i wytrzymać wstrząsy mechaniczne.

W rzeczywistości wewnętrzne badania i dane dotyczące niezawodności przemysłowej pokazują, że kule BGA z pustkami od 15–20% często przeżywają tyle samo cykli termicznych co te z pustkami 1%.

Istnieje ruch, często inicjowany przez wysokiej klasy producentów niszowych, sugerujący że dowolny Iskro jest porażką. Możesz usłyszeć argumenty za piecami do reflowu próżniowego, które wyciągają atmosferę z komory podczas lutowania, aby zgnieść pęcherzyki. Jeśli budujesz satelitę do głębokiego kosmosu, gdzie naprawa jest niemożliwa, reflow próżniowy jest ważnym, choć kosztownym wymogiem. W przypadku pozostałej elektroniki 99%, dążenie do zerowej ilości voidów jest marnowaniem pieniędzy i budżetu termicznego. Poddanie płytki kilku cyklom reworku na naprawę voida 15% powoduje więcej uszkodzeń laminatu i podkładek miedzianych, niż void kiedykolwiek mógłby.

Geometria akceptacji

Inspekcja to obliczenia geometryczne, a nie sprawdzanie nastroju. Gdy automatyczny system Inspekcji Rentgenowskiej (AXI) lub operator przegląda BGA, zadaniem jest obliczenie planowanej powierzchni voidów w stosunku do planowanej powierzchni kulki. To prosty stosunek: (Suma powierzchni voidów) / (Łączna powierzchnia kulki). Jeśli kulka ma 20 milów średnicy, mierzymy liczbę pikseli na jasnych plamkach względem ciemnego koła.

Jednak voidy rzadko przypominają idealne koła. Często wyglądają jak “szwajcarski ser”—grupki malutkich pęcherzyków łączących się i oddzielających. Obliczenie dokładnej powierzchni tych nieregularnych kształtów jest szacunkowe, nawet dla zaawansowanych algorytmów. Maszyna rysuje obramowanie wokół skupisk voidów i sumuje je.

Kiedy wynik oscyluje tuż przy granicy—np. 24% lub 26%—zdanie ludzkie staje się kluczowe. Musimy spojrzeć na wierne odwzorowanie obrazu. To jeden duży void, czy grupa małych? Standard pozwala na obliczenia skumulowane, co oznacza, że mnóstwo malutkich pęcherzyków liczy się tak samo jak jeden duży, pod warunkiem, że nie narusza to innych reguł dotyczących lokalizacji.

Wyjątek od ciepłej podkładki (QFN/BTC)

Kryteria zmieniają się drastycznie, gdy odchodzimy od pinów sygnałowych (BGA) do pól termicznych. Elementy takie jak QFN (Quad Flat No-leads) i inne komponenty z dolnym zakończeniem (BTC) mają duże odsłonięte pole w centrum, głównie do odprowadzania ciepła, a nie do sygnału elektrycznego. Ponieważ jest to duża, płaska powierzchnia lutowana do pasującego dużego, płaskiego pola na PCB, gazy nie mają gdzie uciec. To jak wyrównanie ciasta na pizzę bez uwięzienia pęcherzyków powietrza; jest to niemal niemożliwe.

W związku z tym limit IPC dla tych pól termicznych jest znacznie wyższy, zazwyczaj dopuszczając do 50% voidów. Inżynierowie często panikują, gdy widzą pole termiczne QFN, które wygląda jak ulu, oznaczając je jako odrzucone. Jednak jeśli to pole jest lutowane z 50%, skuteczność transferu ciepła jest zwykle wystarczająca dla parametrów komponentu. Chociaż kartotekowe dane producentów, takich jak TI czy Analog Devices, czasami określają bardziej restrykcyjne limity dla wysokoprądowych zastosowań RF, to 50% jest standardem dla ogólnej logiki cyfrowej.

Jeśli stale zauważasz ogromne voidy w tych polach termicznych—np. 60% lub więcej—problem rzadko leży w profilu reflowu. To prawie zawsze kwestia projektu maski. Otwór w masce o rozmiarze 1:1 (gdzie dziurka w masce jest tego samego rozmiaru co pole) nakłada za dużo pasty, uwięziwszy lotne związki w centrum. Rozwiązaniem nie jest modyfikacja pieca, lecz użycie projektu maski z “oknem” (wzorowanego na szybę). Podzielenie dużego kwadratu na mniejsze części z kanałami umożliwia ucieczkę gazów, często obniżając voidy z 60% do 15% z dnia na dzień.

Lokalizacja jest prawdziwym zabójcą

Podczas gdy rozmiar voida przyciąga całą uwagę, to położenie jest tym, co powstrzymuje inżynierów jakości do snu w nocy. Duży “masowy void” unoszący się łagodnie w centrum kulki lutowniczej rzadko stanowi zagrożenie dla niezawodności, ponieważ jest otoczony przez stały metal. Niebezpieczne voidy to te, które dotykają interfejsu—granicy między lutem a podkładką komponentu lub lutem a podkładką PCB. to utrzymuje inżynierów jakości na nogach w nocy. Duży „masowy pusty obszar” unoszący się benignicznie w centrum kulki lutowniczej rzadko stanowi zagrożenie dla niezawodności, ponieważ jest otoczony przez stałe metalowe otoczenie. Niebezpieczne pustki to te, które dotykają interfejsu — granicy pomiędzy lutem a podkładką elementu lub lutem a podkładką PCB.

Nazwiemy te “puste przestrzenie szampana”, ponieważ gromadzą się na interfejsie jak bąbelki w szklance. Nawet jeśli te pustki stanowią tylko 5% powierzchni, mogą być katastrofalne. Tworzą punkt koncentracji naprężeń dokładnie tam, gdzie tworzy się związek międzymetaliczny (IMC). Pod wpływem wstrząsu spadającego lub drgań, pęknięcie może się rozpocząć przy tej pustce i rozprzestrzenić się po całej powierzchni, odcinając połączenie. Pusta przestrzeń na interfejsie 5% jest nieskończenie gorsza od pustki w masie 20%. Dlatego zautomatyzowane liczby zdań o przebiegłej/niepowodzeniach mogą być mylące; maszyna może zaliczyć boradę z 5% pustką, którą ludzkie oko by odrzuciło, ponieważ ta 5% znajduje się bezpośrednio na powierzchni pola.

To także tutaj często pojawia się zamieszanie związane z defektami “Head-in-Pillow” (HiP). Możesz zobaczyć kształt przypominający pustkę lub dziwny podwójny okrąg na promieniowaniu rentgenowskim, ale HiP wcale nie jest pustką. To otwarty obwód, w którym piłka zdeformowała się, ale nie zlała się z pastą – wygląda jak bałwan lub głowa oparta na poduszce. W przeciwieństwie do pustki, która jest wskaźnikiem procesu, HiP jest awarią funkcjonalną. Nie pozwól, aby terminologia cię zmyliła; jeśli masz HiP, masz otwarty, a nie problem z pustką.

Pułapka fałszywego pozytu

Nowoczesne maszyny rentgenowskie są niesamowite, ale nie są omniscjentne. Mają trudności z tłem szumu. Jeśli masz via (wierconą otwór pokrytą powłoką) bezpośrednio pod polem BGA, rentgen widzi powietrze w rurze via i oznacza je jako pustkę w kulce cyny. To klasyczny fałszywy alarm, gdy oprogramowanie widzi zmianę gęstości i krzyczy “Defekt!”

Codziennie przeglądamy te “stos kości” odrzuconych obrazów. W wielu przypadkach, to co maszyna zakwalifikowała jako pustkę 30%, jest w rzeczywistości idealnie zalutowanym kulką leżącą na wierzchu zaśmieconego przez via. Musimy zweryfikować lokalizację via w plikach projektu, aby potwierdzić. Gdybyśmy bezmyślnie zgodzili się na osąd maszyny, wyrzucalibyśmy lub przerabiali w pełni sprawny sprzęt.

Niezawodność ponad perfekcję

Celem inspekcji jest niezawodność, a nie perfekcja geometryczna. Przestrzegając limitów IPC klasy 2 i 3 — 25% dla kul signalowych, 50% dla padów termicznych — oraz skupiając naszą uwagę na niebezpiecznych pustkach na interfejsie, a nie benignych pustkach masy, chronimy produkt bez niszczenia wydajności produkcji. Akceptujemy, że lut jest materiałem dynamicznym, organicznym, który wydmuchuje gazy i się porusza. Tak długo, jak liczby i fizyka się zgadzają, płyta jest wysyłana.