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

O Teste de Rorschach da Manufatura

Quando você olha pela primeira vez para uma imagem de radiografia em escala de cinza de um Matriz de Grade de Bolas (BGA), seu instinto geralmente é de alarme. Você vê um círculo escuro (a bola de solda) cheio de manchas mais claras e irregulares. Parece uma doença, uma esponja ou—para os não iniciados—um defeito que precisa ser eliminado.

Na sala de inspeção, no entanto, não inspecionamos por estética; inspecionamos por física. Essas manchas mais 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 solda livre de vazios 'perfeita', o que é uma busca proibitivamente cara e muitas vezes prejudicial. O desafio é diferenciar entre o vazio cosmético que sobreviverá dez anos no campo e o vazio estrutural que quebrará sob estresse térmico. Para isso, devemos ignorar a reação instintiva a imagens 'feias' e confiar totalmente nas razões de área definidas no IPC-A-610.

A Regra 25%

O padrão da indústria para aceitabilidade de montagem eletrônica, IPC-A-610, é surpreendentemente permissivo quando se trata de vazios. Seja você fabricando um produto Classe 2 (notebooks, controles industriais) ou um produto Classe 3 (suporte à vida, aeroespacial), os critérios para vazios em BGA geralmente são idênticos. De acordo com o IPC-A-610 e seu companheiro J-STD-001, uma bola de solda é aceitável desde que a área acumulada de vazios não exceda 25% da área total da bola.

Esse número geralmente surpreende as pessoas. Um vazio de 25% na bola de solda parece massivo no monitor—como se um quarto da conexão estivesse faltando. Mas a física conta uma história diferente. Pasta de solda, particularmente ligas padrão SAC305 sem chumbo, contém voláteis de fluxo que devem sair durante o reflow. Se o tempo acima do liquido for curto, ou se o componente for pesado, algum gás fica preso. Isso é natural. Os 75% restantes 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 bolas de BGA com vazamento de 15–20% muitas vezes sobrevivem a tantos ciclos térmicos quanto aquelas com vazamento de 1%.

Há um movimento, frequentemente impulsionado por fabricantes de nicho de alta qualidade, sugerindo que qualquer vácuo é uma falha. Você pode ouvir argumentos em favor de fornos de refluxo a vácuo, que puxam a atmosfera para fora da câmara durante a soldagem para colapsar bolhas. Se você estiver construindo para um satélite de espaço profundo onde o reparo é impossível, o refluxo a vácuo é uma exigência válida, embora cara. Para os demais 99% de eletrônicos, perseguir voids zero é um desperdício de dinheiro e de orçamento térmico. Submeter uma placa a múltiplos ciclos de calor de retrabalho para corrigir um void de 15%, em conformidade, causa mais dano à laminação e às almofadas de cobre do que o próprio void.

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 voids em relação à área projetada da bola. É uma simple proporção: (Soma das Áreas dos Voids) / (Área Total da Bola). Se a bola tem 20 mils de diâmetro, estamos medindo a contagem de pixels dos pontos de luz contra o círculo escuro.

No entanto, os voids raramente são círculos perfeitos. Muitas vezes aparecem como “queijo suíço”—aglomerados 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 clusters de voids e soma-os.

Quando o resultado fica bem no limite — digamos, 24% ou 26% — o julgamento humano torna-se fundamental. Precisamos observar a fidelidade da imagem. Aquilo é um único void grande, ou um cluster de pequenos? O padrão permite cálculo cumulativo, o que significa que muitas bolhas pequenas contam igual a uma grande, desde que não violem outras regras sobre a localização.

A Exceção ao Papel Térmico (QFN/BTC)

Critérios mudam drasticamente quando passamos de pinos de sinal (BGAs) para almofadas térmicas. Componentes como QFNs (Quad Flat No-leads) e outros componentes de terminação inferior (BTCs) possuem uma grande almofada exposta no centro, principalmente para dissipação de calor, não para sinal elétrico. Como é uma grande superfície plana soldada a uma almofada grande e 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 quase impossível.

Consequentemente, o limite IPC para essas almofadas térmicas é significativamente maior, permitindo normalmente até 50% de voiding. Engenheiros frequentemente entram em pânico ao ver uma almofada térmica de QFN que parece um queijo suíço, marcando-a como rejeição. Mas, se essa almofada estiver soldada com 50%, a eficiência de transferência térmica costuma ser suficiente para a classificação do componente. Embora fichas técnicas de fabricantes como TI ou Analog Devices às vezes especificam limites mais rigorosos para aplicações de RF de alta potência, 50% é o padrão para lógica digital geral.

Se você estiver vendo voids massivos nessas almofadas térmicas — digamos, 60% ou mais — o problema raramente é o perfil de refluxo. Quase sempre é o projeto da tela de stencil. Uma abertura de maçaneta 1:1 (onde o orifício na tela tem o mesmo tamanho da almofada) deposita pasta demais, aprisionando voláteis no centro. A solução não é ajustar o forno, mas usar um stencil de “janela de painel”. Dividir o grande quadrado em painéis menores com canais permite a liberação de gases, muitas vezes reduzindo voids 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 “espaço vazio” flutuando benignamente no centro de uma bolha de solda é raramente uma ameaça à confiabilidade porque está cercado por metal sólido. Os vazios perigosos são aqueles que tocam a interface—a fronteira entre a solda e a almofada do componente, ou a solda e a almofada da placa de circuito impresso.

Chamamos esses “vazios de Champagne” porque eles se reúnem na interface como bolhas em um copo. Mesmo que esses vazios representem apenas 5% da área, podem ser catastróficos. Eles criam um ponto de concentração de tensões exatamente onde se forma o composto intermetálico (IMC). Sob choque de queda ou vibração, uma rachadura pode se iniciar nesse espaço vazio e se propagar através da almofada, interrompendo a conexão. Um espaço vazio de interface de 5% é infinitamente pior do que um vazio de bulk de 20%. É por isso que os números automatizados de aprovação/reprovação podem ser enganadores; uma máquina pode aprovar uma placa com 5% de vazios que um olho humano rejeitaria porque esse 5% está exatamente na superfície da almofada.

Este também é o ponto onde frequentemente surge confusão a respeito de defeitos de “Cabeça no Travesseiro” (HiP). Você pode ver uma forma que parece um vazio ou um círculo duplo estranho na radiografia, mas HiP não é um vazio de fato. É um circuito aberto onde a bola deformou-se, mas não se fundiu com a pasta—parecendo um bonequinho de neve ou uma cabeça descansando em um travesseiro. Diferente de um vazio, que é um indicador de processo, HiP é uma falha funcional. Não se deixe enganar pelo termo; se você tem HiP, tem um circuito aberto, não um problema de vazamento.

A Armadilha do Falso Positivo

Máquinas modernas de Raios-X são incríveis, mas não são oniscientes. Elas lutam contra ruído de fundo. Se você tem uma via (um orifício revestido) localizada diretamente sob uma almofada BGA, o raio-X vê o ar dentro do tubo da via e a sinaliza como um vazio na bolha de solda. Este é um falso positivo clássico onde o software vê uma mudança de densidade e grita “Defeito!”

Revisamos diariamente esses “montes de ossos” de imagens rejeitadas. Em muitos casos, o que a máquina marcou como um vazio de 30% é na verdade uma bola de solda perfeitamente soldada em cima de uma via tapada. 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. Seguindo os limites IPC Classe 2 e 3—25% para bolas de sinal, 50% para pads térmicos—e focando nossa análise em vazios de interface perigosos ao invés de vazios de bulk benignos, protegemos o produto sem destruir o rendimento. Aceitamos que a solda é um material dinâmico e orgânico que emite gases e se move. Contanto que os números e a física estejam alinhados, a placa é enviada.