Парадокс золотого купона: почему проходящие отчеты скрывают неисправные платы

Плата мертва. Это был блок с высокими ставками — возможно, автономный контроллер логистики или интерфейс медицинского мониторинга — и он вышел из строя в поле всего через пятьдесят часов. Лаборатория анализа отказов завершила вскрытие: поперечное сечение печатной платы показывает трещину в втулке переходного отверстия или разрыв соединительного столбика. Физика неоспорима; медь физически разорвана. Тем не менее, на столе перед менеджером по качеству светится «Сертификат соответствия» (CoC) от производственного предприятия с проходными оценками. Отчет по микросечению, приложенный к этой партии, показывает красивое, надежное медное покрытие, значительно превышающее минимальные требования IPC Class 3.

Как может плата быть физически повреждена, в то время как ее документы утверждают, что она идеальна? Ответ обычно кроется в «репрезентативном образце», более известном как тестовый купон. В мире производства печатных плат с высокими ставками мы полагаемся на эти маленькие полоски материала платы на отходах панели, чтобы указать состояние реальных цепей в центре. Мы предполагаем, что если купон проходит, плата проходит. Это предположение — самая дорогая ошибка в современной надежности аппаратного обеспечения.

Физика не заботится о вашей бумажной работе. Если геометрия тестового купона не строго соответствует геометрии самой сложной детали на вашей реальной плате, отчет по микросечению перестает быть данными и становится удобной выдумкой.

Физика в ванне для гальваники

Чтобы понять, почему купон лжет, нужно взглянуть на среду внутри ванны для гальваники. Панель печатной платы погружается в электролитическую ванну, где медь осаждается на поверхность и в просверленные отверстия посредством электролиза. Гальваника — это не равномерный процесс, как покраска стены. Это хаотическая борьба динамики жидкости и распределения электрического тока.

Скорость накопления меди внутри отверстия сильно зависит от «меткости» ванны и соотношения сторон отверстия. Широкое, мелкое отверстие легко покрыть; свежая химия легко поступает, и электрическое поле сильное. Узкое, глубокое отверстие — настоящий кошмар. Химия застаивается, и электрическое поле с трудом достигает центра втулки.

Теперь рассмотрим геометрию стандартного тестового купона. Исторически многие производители по умолчанию используют стандартный купон IPC-2221 «Модель A» или простой проприетарный полосовой купон. Они часто имеют прочные, крупные сквозные отверстия диаметром около 0,5 мм или больше. Это «ворота сарая» в мире печатных плат — легко сверлить, легко чистить и невероятно просто покрывать.

Сравните это с дизайном платы. Возможно, вы используете конструкцию с высокой плотностью соединений (HDI) с механическими сверлами 0,15 мм или лазерно просверленными микровиасами. Это «игольные ушки». Когда такая панель попадает в ванну, химия заливает большие отверстия купона, осаждая толстую, здоровую медь. Между тем, в центре панели раствор для гальваники с трудом циркулирует внутри ваших крошечных, с высоким соотношением сторон, переходных отверстий. Результат — «истончение колена» или недостаточное покрытие втулки в реальном продукте, в то время как купон на краю получает золотую звезду.

Этот разрыв выходит за рамки структурной целостности. Дизайнеры часто одержимы контролем импеданса, требуя отчеты TDR (временной отражательной спектроскопии) для обеспечения целостности сигнала. Если поставщик использует купон с геометрией трасс, не соответствующей конкретной плотности и среде травления ваших высокоскоростных дифференциальных пар, эти результаты TDR — вычисленные выдумки, а не измеренные реалии. Если структурный купон лжет о толщине меди, то купон импеданса, вероятно, лжет о ширине трасс.

Проблема усугубляется «воришками тока». Края панели привлекают большую плотность тока, чем центр. Поскольку купоны почти всегда размещаются на границе панели (на «рельсах») для экономии места, они естественно покрываются быстрее и толще, чем части в середине. В итоге вы тестируете самый привилегированный участок панели, чтобы проверить самый обделенный.

Ловушка HDI и Via-in-Pad

Несоответствие геометрии становится катастрофическим при переходе к структурам HDI и Via-in-Pad Plated Over (VIPPO). Именно здесь происходит большинство современных сценариев «пройдено, но провалено».

Рассмотрим сложенный микровиа. В этой структуре лазерно просверленное отверстие на слое 1 соединяется с скрытым отверстием на слое 2, которое соединяется со слоем 3, все они расположены прямо друг над другом. Это механически хрупкая конструкция, склонная к расслоению на интерфейсе, если химия покрытия не идеальна. Однако, если поставщик использует стандартный купон, который смещает эти отверстия — размещая их со смещением друг относительно друга — вместо того, чтобы складывать их, профиль напряжений меняется полностью. Смещённый купон пройдет испытания на термический цикл, которые разрывают сложенный микровиа. Вы подтверждаете безвредную структуру, отправляя в производство бомбу замедленного действия.

Затем есть кошмар VIPPO. В этом процессе отверстие покрывается металлом, заполняется эпоксидной смолой, а затем «закрывается» медью, чтобы компонент можно было припаять прямо сверху. Опасность здесь — «вдавливание» или отделение крышки, вызванное выделением газов из эпоксидного наполнителя. Если ваш дизайн использует VIPPO для вывода BGA, но стандартный купон поставщика использует открытые сквозные отверстия, микросекция никогда не покажет качество покрытия крышки или наполнителя.

Часто именно здесь дебаты между классами IPC 2 и 3 создают ложное чувство уверенности. Закупочные команды упорно борются за контракты класса 3, полагая, что это обеспечивает им защиту от отказов. Но класс 3 — это всего лишь набор критериев приемки (например, минимальная толщина покрытия, ширина кольцевого кольца). Если вы применяете критерии класса 3 к купону, который физически не похож на вашу плату, вы не приобрели надежность. Вы приобрели очень дорогую, высококачественную проверку куска отходного материала, не имеющего отношения к вашему продукту.

Щит бумажной работы

Почему это происходит? Почему производитель, репутация которого зависит от качества, использует купон, не соответствующий плате?

Злонамеренность редко является причиной. Обычно это просто инерция и эффективность. Стандартные купоны, такие как модели IPC-2221, заранее разработаны. Они аккуратно помещаются в границы панели, не занимая пространство, приносящее доход. Их легко рассекать и легко читать под микроскопом. Лаборант может обработать пятьдесят стандартных купонов за смену. Индивидуальные купоны, имитирующие сложные особенности платы, требуют времени инженера на разработку, занимают больше места и сложнее шлифуются и полируются без повреждения образца.

Также действует извращенный стимул. «Золотой купон» — купон, разработанный для прохождения — поддерживает работу производственной линии. Если поставщик использует купон, строго имитирующий ваши самые сложные особенности, их выход годных снизится. Им придется списывать панели, которые могли быть «на грани». Используя снисходительный купон, они перекладывают риск со своей стопки отходов на ваши полевые возвраты.

Документация укрепляет этот щит. Стандартный сертификат соответствия (CoC) будет указывать соблюдение IPC-6012. Если вы не читали мелкий шрифт приложения A IPC-6012 и специально не требовали «A/B купоны» (купоны, соответствующие конкретным структурам отверстий дизайна), поставщик технически соответствует требованиям, используя свои стандартные полоски. Они следовали стандарту; стандарт просто не заставлял их тестировать сложные элементы.

Инженерия правды

Единственный способ разорвать этот цикл — взять под контроль заметки по изготовлению. Вы не можете полагаться на то, что поставщик добровольно усложнит себе работу.

Вы должны указать, что тестовые купоны должны создаваться согласно IPC-6012 Appendix A. Эта спецификация заставляет генератор купонов смотреть на файл платы, определять «Самую сложную особенность» (MDF) — будь то самое маленькое сверло, самый плотный шаг или самое глубокое слепое отверстие — и создавать купон, который воспроизводит эту особенность.

Для критических серий — аэрокосмических, медицинских или крупносерийных автомобильных — вы должны пойти дальше. Требуйте, чтобы купоны размещались не только на границе панели, но и в центре панели или, по крайней мере, в активной зоне. Да, это занимает место. Да, вы получите меньше плат на панель. Поставщик будет сопротивляться. Они скажут, что это увеличивает себестоимость единицы.

Это момент, чтобы взвесить «Стоимость качества». Рассчитайте стоимость этого пространства на панели — возможно, несколько долларов за единицу. Теперь рассчитайте стоимость отзыва с рынка, остановки линии или команды инженеров, летящих к контрактному производителю для отладки «призрачного» отказа. Стоимость брака правдивого купона — это страховая премия, в разы дешевле ответственности за ложное прохождение.

Здесь есть нюансы. Некоторые ведущие производители разработали собственные внутренние купоны, превосходящие стандарты IPC по способности обнаруживать скрытые дефекты. Если поставщик сопротивляется вашей просьбе о купоне, потому что у них есть «лучший» внутренний метод, выслушайте их — но проверьте. Попросите технические данные о чувствительности их купона. Если они могут доказать, что их метод обнаруживает дефекты, которые вас волнуют, это приемлемо. Но «мы всегда так делали» — не является действительным инженерным аргументом.

В конечном итоге отчет о микросечении ценен ровно настолько, насколько ценен образец, который он разрушает. Если вы позволяете процессу идти по пути наименьшего сопротивления, вы не тестируете свой продукт. Вы тестируете способность поставщика покрыть отверстие, которого нет на вашей плате. Заставьте геометрию соответствовать реальности, и бумага наконец скажет правду.