Análise de Cavidades por Raios-X: Critérios que Correspondem à Classe IPC

O Teste de Rorschach da Fabricação

Ao olhar uma imagem de raio-X em escala de cinza de um Miniforjado (BGA) pela primeira vez, seu instinto geralmente é de alarme. Você vê um círculo escuro (a esfera de solda) repleto de manchas claras e irregulares. Parece uma doença, uma esponja ou—para os não iniciados—um defeito que precisa ser eliminado.

Na sala de inspeção, entretanto, não inspecionamos por estética; inspecionamos por física. Essas manchas claras são vazios—bolsões de gás presos durante o processo de reflow. São feios, sim. Mas na grande maioria dos casos, são estruturalmente benignos.

O desafio na fabricação moderna de eletrônicos não é alcançar uma conexão de solda 'perfeita' e livre de vazios, algo demasiado caro e frequentemente prejudicial. O desafio é distinguir entre o vazio cosmético que sobreviverá dez anos no campo e o vazio estrutural que irá rachar sob estresse térmico. Para isso, precisamos ignorar a reação instintiva a imagens 'feias' e confiar totalmente nas razões de área definidas na IPC-A-610.

A Regra 25%

O padrão da indústria para aceitabilidade de montagem eletrônica, IPC-A-610, é surpreendentemente tolerante em relação a vazios. Seja você construindo um produto Classe 2 (laptops, controles industriais) ou Classe 3 (suporte à vida, aeroespacial), os critérios para vazios em BGA muitas vezes são idênticos. Segundo a IPC-A-610 e seu companheiro J-STD-001, uma bolinha de solda é aceitável desde que a área total de vazios não ultrapasse 25% da área total da bola.

Esse número costuma chocar as pessoas. Um vazio de 25% parece massivo em um monitor—como se um quarto da conexão estivesse faltando. Mas a física conta uma história diferente. Pasta de solda, especialmente ligas livres de chumbo padrão SAC305, contém voláteis de fluxo que devem sair durante o reflow. Se o tempo acima do líquido for curto, ou se o componente for pesado, algum gás fica preso. Isso é natural. Os restantes 75% do volume de solda são mais do que suficientes para conduzir a corrente elétrica e resistir ao choque mecânico.

Na verdade, estudos internos e dados de confiabilidade da indústria mostram que bolinhas de BGA com vazamento de 15–20% frequentemente sobrevivem a tantos ciclos térmicos quanto aquelas com vazamento de 1%.

Há um movimento, frequentemente impulsionado por fabricantes de nicho de alta gama, sugerindo que qualquer void é uma falha. Você pode ouvir argumentos a favor de fornos de refluxo a vácuo, que puxam a atmosfera para fora da câmara durante a soldagem para colapsar bolhas. Se você está construindo um satélite de espaço profundo onde o reparo é impossível, o refluxo a vácuo é uma exigência válida, embora cara. Para os outros 99% de eletrônicos, perseguir vazios zero é uma perda de dinheiro e do orçamento térmico. Submeter uma placa a múltiplos ciclos de calor de retrabalho para consertar um vazamento conforme a norma de 15% causa mais danos à lâmina e aos pads de cobre do que o vazamento jamais faria.

A Geometria da Aceitação

A inspeção é um cálculo geométrico, não uma verificação de vibração. Quando uma máquina de Inspeção por Raios X Automatizada (AXI) ou um operador humano revisa um BGA, a tarefa é calcular a área projetada dos vazios em relação à área projetada da bola. É uma razão simples: (Soma das Áreas dos Vazios) / (Área Total da Bola). Se a bola tiver 20 mils de diâmetro, estamos medindo a contagem de pixels das manchas de luz versus o círculo escuro.

No entanto, os vazios raramente são círculos perfeitos. Eles aparecem muitas vezes como "queijo suíço"—agrupe de pequenas bolhas que se fundem e se separam. Calcular a área exata dessas formas irregulares é uma estimativa, mesmo para algoritmos avançados. A máquina desenha um perímetro ao redor dos agrupamentos de vazios e os soma.

Quando o resultado fica bem na margem—digamos, 24% ou 26%—o julgamento humano se torna crucial. Precisamos observar a fidelidade da imagem. É um vazio grande, ou um agrupamento de pequenos? O padrão permite cálculo cumulativo, significando que muitas bolhas pequenas contam como uma grande, desde que não violem outras regras sobre localização.

A Exceção ao Pad de Temperatura (QFN/BTC)

Critérios mudam drasticamente quando passamos de pinos de sinal (BGAs) para tampas térmicas. Componentes como QFNs (Quad Flat No-leads) e outros componentes de terminação inferior (BTCs) possuem uma grande aba exposta no centro, principalmente para dissipação de calor, não sinal elétrico. Como é uma grande superfície plana soldada a uma grande pad plana correspondente na PCB, a liberação de gases não tem para onde ir. Pense nisso como achatar a massa de pizza sem prender bolhas de ar; é praticamente impossível.

Consequentemente, o limite IPC para essas tampas térmicas é significativamente maior, normalmente permitindo até 50% de vazios. Os engenheiros muitas vezes entram em pânico quando veem uma pad térmica QFN que aparenta um favo de mel, marcando como rejeitada. Mas se essa pad estiver soldados a 50%, a eficiência de transferência térmica geralmente é suficiente para a classificação do componente. Enquanto fichas técnicas de fabricantes como TI ou Analog Devices às vezes especificam limites mais rigorosos para aplicações RF de alta potência, 50% é o padrão para lógica digital geral.

Se você está vendo consistentemente vazios massivos nesses pads térmicos—digamos, 60% ou mais—o problema raramente é o perfil de refluxo. Quase sempre é o projeto da matriz de stencil. Uma abertura de abertura 1:1 (onde o buraco na matriz é do mesmo tamanho da pad) deposita pasta demais, prendendo voláteis no centro. A solução não é ajustar o forno, mas usar um projeto de matriz 'janela'. Dividir o grande quadrado em painéis menores com canais permite que o gás escape, muitas vezes reduzindo os vazios de 60% para 15% durante a noite.

A Localização é o Verdadeiro Assassino

Enquanto o tamanho do vazio recebe toda a atenção, o localização é o que mantém os engenheiros de qualidade acordados à noite. Um grande "vazio em massa" flutuando benignamente no centro de uma bola de solda raramente ameaça a confiabilidade porque está cercado por metal sólido. Os vazios perigosos são aqueles que tocam a interface—a fronteira entre a solda e a pad do componente, ou a solda e a pad da PCB.

Chamamos essas "voids de Champagne" porque se reúnem na interface como bolhas em um copo. Mesmo que essas voids representem apenas 5% da área, podem ser catastróficas. Elas criam um ponto de concentração de tensão exatamente onde o composto intermetalico (IMC) se forma. Sob impacto de queda ou vibração, uma rachadura pode iniciar nessa void e se propagar pela pastilha, cortando a conexão. Uma void de interface de 5% é infinitamente pior que uma void de 20% no volume. É por isso que números automatizados de aprova/desaprova podem ser enganosos; uma máquina pode aprovar uma placa com voiding de 5% que um olho humano rejeitaria porque essa 5% está exatamente na superfície da pastilha.

Este também é um ponto onde a confusão costuma surgir em relação aos defeitos de "Cabeça no Travesseiro" (HiP). Você pode ver uma forma que parece uma void ou um círculo duplo estranho na radiografia, mas HiP não é uma void de forma alguma. É um circuito aberto onde a bola deformou, mas não coalesceu com a pasta — parecendo um boneco de neve ou uma cabeça descansando em um travesseiro. Ao contrário de uma void, que é um indicador de processo, HiP é uma falha funcional. Não se deixe enganar pela terminologia; se você tem HiP, você tem um circuito aberto, não um problema de voiding.

A Armadilha do Falso Positivo

Máquinas modernas de Raios-X são incríveis, mas não são oniscientes. Elas têm dificuldades com o ruído de fundo. Se você tem uma via (um orifício banhado) localizada diretamente sob uma pastilha BGA, o raio-X vê o ar dentro do tubo da via e a marca como uma void na esfera de solda. Este é um falso positivo clássico onde o software percebe uma mudança de densidade e grita "Defeito!"

Revisamos esses "montes de ossos" de imagens rejeitadas diariamente. Em muitos casos, o que a máquina sinalizou como uma void de 30% é na verdade uma esfera de solda perfeitamente soldada sentada sobre uma via tende. Precisamos verificar a localização da via nos arquivos de projeto para confirmar. Se aceitássemos cegamente o julgamento da máquina, estaríamos descartando ou retrabalhando hardware perfeitamente bom.

Confiabilidade Acima da Perfeição

O objetivo da inspeção é confiabilidade, não perfeição geométrica. Ao aderir aos limites da IPC Classe 2 e 3 — 25% para esferas de sinal, 50% para pads térmicos — e concentrar nossa atenção em voids perigosas na interface ao invés de voids benígnas no volume, protegemos o produto sem destruir o rendimento. Aceitamos que a solda é um material orgânico e dinâmico que emana gases e se move. Enquanto os números e a física estiverem alinhados, a placa é enviada.