คำโกหกทางความร้อน: ทำไมเกณฑ์ Void ของคุณถึงล้มเหลวกับฮาร์ดแวร์ของคุณ

มีความเชื่อโชคลางแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าที่เทียบภาพเอ็กซ์เรย์ที่สวยงามกับชิ้นส่วนที่เชื่อถือได้ คุณจะเห็นมันบนสายการผลิตตั้งแต่เซินเจิ้นถึงกวาดาลาฮารา: ผู้จัดการคุณภาพถือชุด QFN เพราะเปอร์เซ็นต์ช่องว่างถึง 28% แทนที่จะเป็น 25% ตามที่ IPC-A-610 กำหนดแบบสุ่ม ในขณะเดียวกันสายการผลิตหยุด แผงวงจรที่ “เสีย” ถูกทิ้งหรือซ่อมแซม และทุกคนก็ชื่นชมตัวเองที่จับข้อบกพร่องได้

นั่นไม่ใช่วิศวกรรมความน่าเชื่อถือ แต่มันคือการประกวดความงาม

ฟิสิกส์ไม่สนใจเกณฑ์ระดับสีเทาของคุณ ฟิสิกส์สนใจเพียงเส้นทางความร้อนจากจุดต่อถึงสภาพแวดล้อมรอบข้างเท่านั้น หากคุณให้ความสำคัญกับเปอร์เซ็นต์ช่องว่างมากกว่าตำแหน่งช่องว่าง คุณอาจจะทิ้งฮาร์ดแวร์ที่ดีในขณะที่ปล่อยให้ชิ้นส่วนที่อันตรายหลุดผ่านประตูไป

ปัญหาคือเราปล่อยให้มาตรฐานฝีมือการทำงาน—ซึ่งยอดเยี่ยมสำหรับการกำหนดว่ากระบวนการกำลังเบี่ยงเบน—มาแอบอ้างเป็นฟิสิกส์ความน่าเชื่อถือ มาตรฐานอย่าง IPC-A-610 Class 3 เป็นเกณฑ์ผ่าน/ไม่ผ่านแบบไบนารีที่ออกแบบมาเพื่อข้อพิพาทสัญญาและความสม่ำเสมอทางสายตา ไม่ใช่เพื่อทำนายว่า MOSFET จะอยู่รอดในรอบการใช้งานสิบปีในอินเวอร์เตอร์แรงดึงรถยนต์หรือไม่

เมื่อคุณปฏิบัติต่อขีดจำกัดช่องว่าง 25% เป็นหน้าผาแข็งสำหรับความล้มเหลวทางความร้อน คุณกำลังมองข้ามแนวคิด “งบประมาณความร้อน” ชิ้นส่วนที่มีช่องว่าง 30% อาจมีความต้านทานความร้อนจากจุดต่อถึงเคส (Rth-jc) ที่เหมือนกันทางสถิติกับชิ้นส่วนที่มีช่องว่าง 10% ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของช่องว่างเหล่านั้น เราต้องหยุดตรวจสอบเงาและเริ่มวิศวกรรมการไหลของความร้อน

ภูมิศาสตร์เหนือเรขาคณิต

ความร้อนไหลเหมือนน้ำ เลือกเส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุด และมันไม่ไหลอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งแผ่นยึดไดแอทแทช

ลองใช้ PowerQFN ขนาด 5×6 ที่มีกำลังสูง ในการทดสอบ คุณอาจเจอหน่วยที่มีช่องว่างขนาดใหญ่—ถึง 45%—เกิดจากการระเหยของฟลักซ์อย่างรุนแรง สำหรับตาเปล่าของเครื่องเอ็กซ์เรย์ มันดูเหมือนภัยพิบัติ ชีสสวิสของบัดกรีที่ควรจะไหม้ทันที แต่ถ้าคุณทำแผนที่ช่องว่างเหล่านั้น คุณมักจะพบว่ามันเป็น “ฟองแชมเปญ” ที่รวมตัวกันรอบขอบแผ่นทั้งหมด ถูกผลักไปที่นั่นโดยแรงเปียกในระหว่างการรีโฟลว์ กลางแผ่นใต้จุดร้อนของไดซิลิกอนนั้นแข็งแรง

เมื่อคุณทดสอบชิ้นส่วน “ล้มเหลว” นี้บนแท่นไดโนดด้วยเทอร์โมคัปเปิลหรือเครื่องทดสอบความร้อนชั่วคราว ผลลัพธ์มักจะน่าตกใจ: อุณหภูมิที่จุดต่อ (Tj) เพิ่มขึ้นไม่เกิน 2°C จากหน่วยควบคุม “สมบูรณ์แบบ” ความร้อนที่เกิดที่กลางไดมีเส้นทางทองแดงตรงและไม่ขาดตอนไปยังโครงนำขั้ว ช่องว่างรอบขอบไม่มีผลทางความร้อนเพราะความร้อนไม่จำเป็นต้องเดินทางผ่านขอบเหล่านั้นเพื่อหนีออกไป

ในทางกลับกัน คุณอาจมีชิ้นส่วนที่มีช่องว่างรวมเพียง 8%—“ผ่าน” ตามมาตรฐานใดๆ—แต่ช่องว่างเดียวนี้เป็นฟองใหญ่ที่ติดอยู่ใต้จุดร้อนของไดโดยตรง ฉนวนเฉพาะที่นี้สร้างคอขวดความร้อนขนาดใหญ่ นำไปสู่การแออัดของกระแสและการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของ Tj ที่ไม่มีขอบเขตในแผ่นข้อมูลใดจะครอบคลุมได้ เปอร์เซ็นต์ต่ำแต่ความเสี่ยงความน่าเชื่อถือสูงมาก

นี่คือจุดที่ความหลงใหลของอุตสาหกรรมกับตัวเลขง่ายๆ ล้มเหลว ความสัมพันธ์ระหว่างเปอร์เซ็นต์ช่องว่างกับความต้านทานความร้อนไม่เป็นเส้นตรง มันเป็นเรขาคณิตและขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมแพ็คเกจเฉพาะ (เช่น LFPAK กับ D2PAK) อย่างมาก

มันน่าดึงดูดที่จะมองหาวิธีแก้ปัญหาแบบวิเศษ เช่น การเผาเงิน เพื่อแก้ไขปัญหานี้ โดยสมมติว่าวัสดุที่มีความหนาแน่นและไม่มีช่องว่างจะช่วยแก้ไขปัญหาได้ แต่ในขณะที่การเผาช่วยเพิ่มการนำความร้อน มันก็สร้างปัญหาใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับการแยกชั้นที่ผิวสัมผัสบนชิปขนาดใหญ่ หากคุณเปลี่ยนวัสดุโดยไม่เข้าใจภูมิศาสตร์ของการไหลของความร้อน คุณก็แค่แลกเปลี่ยนโหมดความล้มเหลวหนึ่งกับอีกโหมดที่มีค่าใช้จ่ายสูงกว่า

ปริศนา Zero-Void

มีด้านมืดในการแสวงหาการเชื่อมต่อบัดกรีที่ “สมบูรณ์แบบ” ซึ่งมักทำให้ทีมงานที่ต้องรับมือกับการเปลี่ยนอุณหภูมิอย่างรุนแรง (-40°C ถึง 125°C) ประหลาดใจ

ผมได้วิเคราะห์การคืนสินค้าจากภาคสนามของโมดูลแรงดึงที่มีความน่าเชื่อถือสูง ซึ่งข้อมูลการตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์จากโรงงานแสดงให้เห็นว่ามีช่องว่างแทบจะเป็นศูนย์บนแผ่นรอง DBC (Direct Bonded Copper) พวกมันดูไร้ที่ติ แต่ในภาคสนาม ข้อต่อบัดกรีเกิดรอยแตกและเหนื่อยล้าก่อนเวลา การสืบสวนพบว่าการไม่มีช่องว่างนั้นเป็นอาการของชั้นเชื่อมที่บางเกินไป

ในการเร่งรีบที่จะกำจัดช่องว่าง กระบวนการถูกปรับให้บีบแพ็กเกจให้แน่นจนแทบไม่มีความสูงของบัดกรีที่ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ทางกล บัดกรีเป็นวัสดุที่ยืดหยุ่น; มันต้องการปริมาตรเพื่อดูดซับความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างซิลิคอน/โครงตะกั่วที่แข็งและ PCB

เมื่อคุณบรรลุ “ศูนย์ช่องว่าง” โดยการบีบชั้นเชื่อม คุณจะเอาการบรรเทาความเครียดนั้นออก ช่องว่างเล็กน้อยที่กระจายอยู่สามารถหยุดการแพร่กระจายของรอยแตกได้ โดยทำหน้าที่เป็นจุดพักความเครียดในโครงสร้าง ผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์แบบและบางมากในระดับจุลภาคจะถ่ายโอนความเครียดทางกลทั้งหมดไปยังชั้นอินเตอร์เมทัลลิกโดยตรง นำไปสู่รอยแตกจากความเหนื่อยล้าที่ตัดเส้นทางความร้อนได้เร็วกว่าฟองอากาศไม่กี่ฟอง ศูนย์ไม่ใช่เป้าหมาย; บ่อยครั้ง ข้อต่อที่ไม่มีช่องว่างเลยเป็นความล้มเหลวที่เปราะบางที่รอเกิดขึ้น

หยุดเดา เริ่มวัด

ถ้าคุณไม่สามารถพึ่งพาร้อยละของรังสีเอกซ์ได้ คุณจะตรวจสอบกระบวนการอย่างไร? คุณต้องหยุดมองเงา 2 มิติและเริ่มวัดการตอบสนองความร้อนแบบไดนามิก ความต้านทานความร้อนแบบคงที่ (Rth) มีประโยชน์ แต่ความต้านทานความร้อนชั่วคราว (Zth) คือผู้บอกความจริง การใช้วิธีการที่ระบุใน JEDEC JESD51-14 โดยเฉพาะวิธีอินเตอร์เฟซคู่ ช่วยให้คุณเห็นการแพร่กระจายความร้อนผ่านชั้นซ้อนในเวลา

โดยการวิเคราะห์กราฟฟังก์ชันโครงสร้างที่สร้างโดย T3Ster หรืออุปกรณ์ที่คล้ายกัน คุณสามารถระบุได้อย่างแม่นยำว่าคอขวดความร้อนเกิดขึ้นที่ใด คุณสามารถแยกแยะระหว่างช่องว่างที่ผิวสัมผัสชิปและการแยกชั้นที่ชั้นทองแดงกับ FR4 นี่คือวิธีเดียวที่จะพิสูจน์ว่าช่องว่างนั้นเป็น "ฉนวน" (ขวางทาง) หรือ "ไม่เกี่ยวข้อง" (อยู่ในโซนที่ไม่มีผล)

มันต้องการการลงทุนในอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการและความอดทนในการตีความกราฟที่ซับซ้อน แต่จะเปลี่ยนการสนทนาจาก "นี่ดูน่าเกลียด" เป็น "นี่ร้อนขึ้น 15°C" นั่นคือข้อมูลที่คุณสามารถนำไปให้ลูกค้าหรือเจ้าหน้าที่ควบคุมเพื่ออธิบายการเบี่ยงเบนจากสเปคมาตรฐาน

วิศวกรรมทางออก

ก่อนที่คุณจะไปขอเงินจากผู้บริหารครึ่งล้านดอลลาร์เพื่อซื้อเตารีโฟลว์สุญญากาศเพื่อลดจำนวนช่องว่างของคุณ ให้ดูที่การออกแบบสเตนซิลของคุณ รีโฟลว์สุญญากาศเป็นเครื่องมือที่ทรงพลัง แต่บ่อยครั้งถูกใช้เป็นไม้ค้ำสำหรับวิศวกรรมกระบวนการที่ไม่ดี สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของช่องว่างในแผ่นความร้อนขนาดใหญ่คือการกักเก็บก๊าซอย่างง่าย—สารระเหยจากฟลักซ์ไม่มีที่ไปในช่วงเวลาการแช่

บ่อยครั้ง คุณสามารถลดช่องว่างจากระดับล้มเหลว 35% เป็นระดับผ่าน 15% ได้ง่ายๆ โดยการเปลี่ยนการออกแบบช่องเปิดจากบล็อกใหญ่เดี่ยวเป็นตารางแบบ “หน้าต่างกระจก” ซึ่งสร้างช่องทางให้อากาศจากฟลักซ์ระเหยออกไปก่อนที่บัดกรีจะหลอมเหลว รวมกับการปรับโปรไฟล์—ปรับเวลาการแช่เพื่อให้แน่ใจว่าสารระเหยทั้งหมดทำงานเต็มที่—คุณมักจะแก้ปัญหาได้ด้วยค่าใช้จ่ายของสเตนซิลใหม่ ($300) แทนที่จะเป็นเตาใหม่ ($500k)

สุดท้าย เป้าหมายของคุณคือการเขียนข้อกำหนดกระบวนการที่สะท้อนความเป็นจริง อย่าคัดลอกและวางขีดจำกัด IPC Class 3 ลงในแบบวาดหลักของคุณ เว้นแต่คุณจะชอบเถียงกับผู้ผลิตสัญญาของคุณ กำหนดเกณฑ์ของคุณตามฟิสิกส์ของความหนาแน่นพลังงานเฉพาะของคุณ:

1. กำหนดโซนวิกฤต: ระบุว่าช่องว่างใต้แผ่นความร้อนชิป (จุดร้อน) มีน้ำหนักมากกว่าช่องว่างรอบนอก
2. กำหนดการควบคุมชั้นเชื่อม: ตั้งค่าความสูงขั้นต่ำของช่องว่างเพื่อป้องกันความล้มเหลวจากความเครียด
3. ใช้ Zth สำหรับการตรวจสอบ: รับรองกระบวนการโดยใช้การทดสอบความร้อนชั่วคราว จากนั้นใช้เอ็กซ์เรย์เพียงเพื่อเป็นตัวตรวจสอบกระบวนการเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ

ความน่าเชื่อถือคือการทำให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ทำงานได้ ไม่ใช่การขัดเกลาเอ็กซ์เรย์เพื่อภาพสต็อก