Анализ вакуумных пустот методом рентгеновской дифракции: критерии, соответствующие классу IPC

Тест Рорштейна в производстве

Когда вы впервые смотрите на рентгеновский снимок градации серого Ball Grid Array (BGA), у вас обычно возникает тревога. Вы видите тёмный круг (припоный шарик), изобилующий светлыми, неровными пятнами. Это выглядит как болезнь, губка или — для неискушённых — дефект, который нужно устранить.

Однако в комнате инспекции мы не ищем эстетики; мы ищем физику. Те светлые пятна — это пустоты — карманы газа, захваченного во время процесса повторного плавления. Они уродливы, да. Но в подавляющем большинстве случаев они структурно безопасны.

Задача современной электроники — не достичь «идеального» безпустотного соединения, что является слишком дорогостоящей и часто вредной задачей. Задача — отличить косметическую пустоту, которая проживёт десять лет на полигоне, от структурной пустоты, которая треснет под термическим стрессом. Для этого нужно игнорировать инстинктивную реакцию на «уродливые» изображения и полагаться исключительно на соотношения площадей, определённые в IPC-A-610.

Правило 25%

Стандарт отрасли по нормативам приемлемости электронной сборки, IPC-A-610, удивительно снисходителен к пустотам. Будь то продукт класса 2 (ноутбуки, промышленные управления) или класса 3 (жизнеобеспечение, космическая техника), критерии для пустот в BGA зачастую одинаковы. Согласно IPC-A-610 и его сопутствующему J-STD-001, припоный шарик допустим при условии, что суммарная площадь пустот не превышает 25% общей площади шарика.

Эта цифра обычно шокирует людей. Пустота 25% выглядит массивной на мониторе — как будто четверть соединения отсутствует. Но физика говорит о другом. Паяльная паста, особенно стандартные без свинцовые сплавы SAC305, содержит летучие вещества флюса, которые должны выйти при переплавке. Если время нахождения выше точки плавления короткое, или если компонент тяжелый, часть газа застревает. Это естественно. Остальной объем припоя более чем достаточен, чтобы обеспечить прохождение электрического тока и сопротивление механическим потрясениям.

Фактически, внутренние исследования и отраслевые данные показывают, что шарики BGA с 15–20% пустотами часто выдерживают столько же термических циклов, сколько и с 1% пустотами.

Существует движение, зачастую инициируемое производителями нишевых элитных продуктов, предполагающее, что любой _VOID is a failure. You might hear arguments for vacuum reflow ovens, which pull the atmosphere out of the chamber during soldering to collapse bubbles. If you are building for a deep-space satellite where repair is impossible, vacuum reflow is a valid, albeit expensive, requirement. Для другой 99% электроники гоняться за нулевыми пустотами — это пустая трата денег и теплового бюджета. Подвергание платы нескольким циклам повторного нагрева для исправления соответствующей 15% пустоты наносит больше повреждений ламинированному материалу и медным площадкам, чем сама пустота.

Геометрия принятия

Осмотр — это геометрический расчет, а не проверка на атмосферу. Когда автоматическая рентгеновская инспекция (AXI) или оператор человека осматривает BGA, задача — рассчитать проекционную площадь пустот относительно проекционной площади шара. Это простой коэффициент: (Сумма площадей пустот) / (Общая площадь шара). Если диаметр шара 20 милс, мы измеряем количество пикселей светлых пятен по сравнению с темной окружностью.

Тем не менее, пустоты редко бывают идеальными кругами. Они часто выглядят как «швейцарский сыр» — скопления крошечных пузырьков, сливающихся и разделяющихся. Расчет точной площади этих неправильных форм является приближением, даже для современных алгоритмов. Машина обводит периметр вокруг скоплений пустот и суммирует их.

Когда результат находится прямо на границе — скажем, 24% или 26% — человеческое суждение становится критичным. Нужно смотреть на точность изображения. Это одна большая пустота или группа маленьких? Стандарт позволяет кумулятивный расчет, то есть множество крошечных пузырьков засчитываются так же, как один большой, при условии, что они не нарушают другие правила о месте расположения.

Исключение для тепловой подушки (QFN/BTC)

Критерии значительно меняются, когда мы переходим от сигнальных выводов (BGA) к тепловым прокладкам. Такие компоненты, как QFN (Quad Flat No-leads) и другие компоненты с нижним концом (BTC), имеют большую открытую площадь в центре, предназначенную в основном для отвода тепла, а не для электрического сигнала. Поскольку это большая, плоская поверхность, припаянная к сопоставимой большой, плоской площадке на PCB, газообразные выделения некуда выйти. Можно представить это как расплющивание теста пиццы без улавливания пузырьков воздуха; практически невозможно.

Следовательно, лимит IPC для этих тепловых прокладок значительно выше, обычно допускается до 50% пустот. Инженеры часто паникают при виде тепловой прокладки QFN, которая выглядит как соты, считая её годной к списанию. Но если эта прокладка припайяна с 50%, эффективность теплопередачи обычно достаточна для рейтинга компонента. Хотя технические характеристики от производителей, таких как TI или Analog Devices, иногда задают более строгие лимиты для высокомощных RF-приложений, 50% — стандарт для общей цифровой логики.

Если вы постоянно наблюдаете огромные пустоты в этих тепловых прокладках — скажем, 60% или выше — проблема редко связана с профилем повторного нагрева. Почти всегда речь идет о дизайне трафарета. Открытие апертуры 1:1 (где отверстие в трафарете такого же размера, как и прокладка) наносит слишком много пасты, захватывая летучие вещества в центре. Решение — не менять печь, а использовать дизайн трафарета в виде «оконного стекла». Разделение большого квадрата на меньшие панели с каналами позволяет газу выйти, что часто снижает пустоты с 60% до 15% за ночь.

Расположение — это настоящий убийца

Хотя размер пустоты получает все внимание, но расположение делает так, что инженеры по качеству не спят по ночам. Большая «объемная пустота», безобидно плавающая в центре паяльного шара, редко представляет угрозу надежности, потому что она окружена сплошным металлом. Опасны те пустоты, которые касаются интерфейса — границы между пайкой и площадкой компонента или между паяльником и площадкой на плате.

Мы называем эти «пустоты шампанского», потому что они собираются у интерфейса, как пузырьки в бокале. Даже если эти пустоты занимают всего 5% области, они могут быть катастрофическими. Они создают точку концентрации напряжения прямо там, где формируется межметаллическое соединение (IMC). При ударе или вибрации трещина может начаться в этой пустоте и распространиться по плате, разрезая соединение. Пустота на интерфейсе в 5% гораздо хуже, чем внутренняя пустота в 20%. Поэтому автоматические показатели «прохождение/не прохождение» могут вводить в заблуждение; машина может пропустить плату с 5% пустотой, которую человек отверг бы, потому что эта 5% находится прямо на поверхности платы.

Здесь также часто возникает путаница с дефектами «Голова на подушке» (HiP). Вы можете увидеть фигуру, похожую на пустоту или странное двойное кольцо на рентгеновском снимке, но HiP вовсе не является пустотой. Это открытая цепь, где шарик деформировался, но не сросся с пастой — выглядя как снеговик или голова, опирающаяся на подушку. В отличие от пустоты, которая является индикатором процесса, HiP — это функциональный отказ. Не позволяйте терминологии сбивать с толку; если у вас HiP, это открытая цепь, а не пустота.

Ловушка ложных срабатываний

Современные рентгеновские аппараты удивительны, но они не всеведущие. Им трудно справляться с фоновым шумом. Если у вас есть перемычка (планированный просвет) прямо под платой BGA, рентген увидит воздух внутри ствола перемычки и пометит его как пустоту в припое. Это классическая ошибка ложного срабатывания, когда программа замечает изменение плотности и кричит «Дефект!».

Ежедневно мы просматриваем эти «кости», состоящие из отклонённых изображений. Во многих случаях то, что программа обозначила как пустоту в 30%, на самом деле — идеально припаянный шарик, лежащий на вершине наклонённой перемычки. Мы должны проверить расположение перемычки в проектных файлах, чтобы подтвердить. Если бы мы слепо доверяли мнению машины, мы бы выбраковывали или переделывали идеально исправные компоненты.

Надежность важнее совершенства

Цель инспекции — надёжность, а не геометрическая идеальноcть. Соблюдая лимиты IPC класса 2 и 3 — 25% для сигнальных шариков, 50% для термопаров — и сосредотачивая внимание на опасных пустотах на интерфейсе, а не на безобидных внутриобъемных пустотах, мы защищаем продукт, не ухудшая выходной показатель. Мы принимаем, что припой — это динамический, органический материал, который дегазируется и движется. Пока цифры и физика совпадают, плата отправляется.