O Paradoxo do Cupom Dourado: Por Que Relatórios Positivos Escondem Conselhos que Estão Falhando

A placa está morta. Era uma unidade de alto risco — talvez um controlador autônomo de logística ou uma interface de monitoramento médico — e falhou no campo após apenas cinquenta horas. O laboratório de análise de falhas terminou a autópsia: uma seção transversal da PCB revela um barril de via rachado ou uma interconexão de pino separada. A física é inegável; o cobre foi fisicamente cortado. No entanto, sobre a mesa à frente do gerente de qualidade, o “Certificado de Conformidade” (CoC) da casa de fabricação brilha com notas aprovadas. O relatório de microseção anexado a esse envio mostra um revestimento de cobre bonito e robusto, muito acima dos mínimos da Classe 3 da IPC.

Como uma placa pode estar fisicamente quebrada enquanto sua papelada afirma que está perfeita? A resposta geralmente está na “amostra representativa”, mais conhecida como cupom de teste. No mundo de alto risco da fabricação de placas de circuito impresso, confiamos nessas pequenas tiras de material PCB na borda de desperdício do painel de fabricação para indicar a saúde dos circuitos reais no centro. Assumimos que se o cupom passa, a placa passa. Essa suposição é o erro mais caro na confiabilidade de hardware moderno.

A física não se importa com sua papelada. Se a geometria do cupom de teste não corresponder rigorosamente à geometria da característica mais difícil da sua placa real, o relatório de microseção deixa de ser dado e se torna uma ficção confortável.

Física no Tanque de Banho

Para entender por que o cupom mente, você precisa olhar para o ambiente dentro do tanque de banho. Um painel de PCB é submerso em um banho eletrolítico onde o cobre é depositado na superfície e nos furos perfurados via eletrólise. O revestimento não é um processo uniforme como pintar uma parede. É uma luta caótica de dinâmica dos fluidos e distribuição de corrente elétrica.

A taxa na qual o cobre se acumula dentro de um furo depende muito do “poder de lançamento” do banho e da relação de aspecto do furo. Um furo largo e raso é fácil de revestir; a química fresca flui facilmente, e o campo elétrico é forte. Um furo estreito e profundo é um pesadelo. A química estagna, e o campo elétrico luta para alcançar o centro do barril.

Agora, considere a geometria de um cupom de teste padrão. Historicamente, muitos fornecedores de fabricação usam por padrão um cupom IPC-2221 “Modelo A” padrão ou uma tira proprietária simples. Estes frequentemente apresentam furos passantes robustos e de grande diâmetro, talvez 0,5 mm ou maiores. Eles são as “portas de celeiro” do mundo PCB — fáceis de perfurar, fáceis de limpar e incrivelmente fáceis de revestir.

Compare isso com o design da placa. Você pode estar usando um design de interconexão de alta densidade (HDI) com brocas mecânicas de 0,15 mm ou microvias perfuradas a laser. Estes são os “olhos de agulha”. Quando esse painel vai para o tanque, a química inunda os grandes furos do cupom, depositando cobre grosso e saudável. Enquanto isso, no centro do painel, a solução de revestimento luta para circular dentro das suas vias pequenas e de alta relação de aspecto. O resultado é o “afunilamento do joelho” ou revestimento insuficiente do barril no produto real, enquanto o cupom na borda recebe uma estrela dourada.

Essa desconexão vai além da integridade estrutural. Os projetistas frequentemente se preocupam obsessivamente com o controle de impedância, exigindo relatórios TDR (Reflectometria no Domínio do Tempo) para garantir a integridade do sinal. Se o fornecedor usa um cupom com geometrias de trilhas que não correspondem à densidade específica e ao ambiente de gravação dos seus pares diferenciais de alta velocidade, esses resultados TDR são ficções calculadas, não realidades medidas. Se o cupom estrutural está mentindo sobre a espessura do cobre, o cupom de impedância provavelmente está mentindo sobre a largura da trilha.

O problema é agravado pelos “ladrões de corrente”. As bordas de um painel de fabricação atraem mais densidade de corrente do que o centro. Como os cupons quase sempre são colocados na borda do painel (os “trilhos”) para economizar espaço, eles naturalmente revestem mais rápido e mais espessos do que as partes no meio. Você acaba testando o imóvel mais privilegiado do painel para validar o mais privado.

A Armadilha HDI e Via-in-Pad

A incompatibilidade geométrica torna-se catastrófica quando você avança para estruturas HDI e Via-in-Pad Plated Over (VIPPO). É aqui que ocorre a maioria dos cenários modernos de “aprovado-mas-falhou”.

Considere o microvia empilhado. Nesta estrutura, um via perfurado a laser na camada 1 conecta-se a um via enterrado na camada 2, que conecta à camada 3, todos empilhados diretamente um sobre o outro. É mecanicamente frágil e propenso à separação na interface se a química do revestimento não for perfeita. No entanto, se o fornecedor usar um cupom padrão que desloque esses vias—colocando-os deslocados uns dos outros—em vez de empilhá-los, o perfil de tensão muda completamente. Um cupom deslocado passará nos testes de ciclo térmico que destroem um via empilhado. Você valida uma estrutura benigna enquanto envia uma bomba-relógio.

Então há o pesadelo VIPPO. Neste processo, um via é revestido, preenchido com epóxi e então “tampado” com cobre para que um componente possa ser soldado diretamente em cima. O perigo aqui é o “afundamento” ou separação da tampa causada pela liberação de gases do preenchimento epóxi. Se seu projeto usa VIPPO para um breakout BGA, mas o cupom padrão do fornecedor usa furos passantes abertos, a microseção nunca mostrará a qualidade do revestimento da tampa ou do preenchimento.

É frequentemente aqui que o debate entre IPC Classe 2 e Classe 3 cria uma falsa confiança. As equipes de compras lutam muito por contratos Classe 3, acreditando que isso lhes dá imunidade contra falhas. Mas Classe 3 é apenas um conjunto de critérios de aceitação (por exemplo, espessura mínima do revestimento, largura do anel anular). Se você aplicar os critérios da Classe 3 a um cupom que não se parece fisicamente com sua placa, você não comprou confiabilidade. Você comprou uma inspeção de alta qualidade e muito cara de um pedaço de material sucata que não tem nada a ver com seu produto.

O Escudo da Papelada

Por que isso acontece? Por que uma fábrica de fabricação, cuja reputação depende da qualidade, usaria um cupom que não corresponde à placa?

A malícia raramente é a culpada. Normalmente, é apenas inércia e eficiência. Cupons padrão como os modelos IPC-2221 são pré-projetados. Eles se encaixam perfeitamente nas bordas do painel sem consumir espaço gerador de receita. São fáceis de seccionar e fáceis de ler sob um microscópio. Um técnico de laboratório pode processar cinquenta cupons padrão em um turno. Cupons personalizados que imitam características complexas da placa requerem tempo de engenharia para serem gerados, ocupam mais espaço e são mais difíceis de moer e polir sem destruir a amostra.

Também há um incentivo perverso em jogo. Um “Cupom Dourado”—um projetado para passar—mantém a linha de produção em movimento. Se um fornecedor usar um cupom que imite rigorosamente suas características mais difíceis, seu rendimento cairá. Eles terão que descartar painéis que poderiam ter sido “limítrofes”. Usando um cupom permissivo, eles transferem o risco de sua pilha de sucata para suas devoluções de campo.

A documentação reforça essa proteção. Um CoC padrão listará a conformidade com IPC-6012. A menos que você tenha lido as letras miúdas do Apêndice A do IPC-6012 e tenha especificamente exigido “cupons A/B” (cupons que correspondem às estruturas específicas de vias do projeto), o fornecedor está tecnicamente em conformidade usando suas tiras padrão. Eles seguiram o padrão; o padrão apenas não os obrigou a testar as partes difíceis.

Engenharia da Verdade

A única maneira de quebrar esse ciclo é assumir o controle das notas de fabricação. Você não pode confiar que o fornecedor voluntariamente torne seu trabalho mais difícil.

Você deve especificar que os cupons de teste sejam gerados conforme Apêndice A do IPC-6012. Esta especificação obriga o gerador de cupons a olhar o arquivo da placa, identificar a “Característica Mais Difícil” (MDF)—seja a menor perfuração, o passo mais apertado ou o via cego mais profundo—e gerar um cupom que replique essa característica.

Para lotes críticos—aeroespacial, médico ou automotivo de alto volume—você deve ir além. Exija que os cupons sejam colocados não apenas na borda do painel, mas no centro do painel, ou pelo menos na área ativa. Sim, isso consome espaço. Sim, você terá menos placas por painel. O fornecedor vai resistir. Eles dirão que isso aumenta o custo unitário.

Este é o momento de pesar o “Custo da Qualidade.” Calcule o custo desse espaço no painel—talvez alguns dólares por unidade. Agora calcule o custo de um recall de campo, uma situação de parada de linha ou uma equipe de engenheiros voando para um fabricante contratado para depurar uma falha “fantasma”. O custo da sucata de um cupom verdadeiro é um prêmio de seguro ordens de magnitude mais barato que a responsabilidade de uma aprovação falsa.

Há nuances aqui. Algumas fábricas de fabricação de primeira linha desenvolveram cupons internos proprietários que excedem os padrões IPC em sua capacidade de detectar defeitos latentes. Se um fornecedor resistir ao seu pedido de cupom porque tem um sistema interno “melhor”, ouça-os—mas verifique. Peça os dados técnicos sobre a sensibilidade do cupom deles. Se eles puderem provar que seu método detecta os defeitos que você se importa, isso é aceitável. Mas “sempre fizemos assim” não é um argumento de engenharia válido.

Em última análise, um relatório de microseção só é tão valioso quanto a amostra que ele destrói. Se você deixar o processo seguir o caminho mais fácil por padrão, você não estará testando seu produto. Você estará testando a capacidade do fornecedor de revestir um furo que não existe na sua placa. Force a geometria a corresponder à realidade, e o papel finalmente dirá a verdade.