โครงสร้างของภูเขาไฟที่ปล่อยก๊าซออกมา: ทำไม Via-in-Pad ต้องการ Caps ประเภท VII

ฟิสิกส์ไม่สนใจเส้นตายโครงการของคุณ มันไม่สนใจเป้าหมาย Bill of Materials ของคุณ และแน่นอนมันไม่สนใจว่าคุณประหยัดได้ยี่สิบเซ็นต์ต่อบอร์ดโดยละเว้นรอบการเคลือบรอง การวางผ่านภายในแผ่นชิ้นส่วน—ซึ่งความหนาแน่นในปัจจุบันมักต้องการ—คุณสร้างภาชนะกดดัน จัดการภาชนะนั้นอย่างไม่ใส่ใจ เช่นเดียวกับรูทะลุผ่านมาตรฐาน และคุณกำลังสร้างระเบิดจุล Micro ที่อยู่ใต้ซิลิคอนที่แพงที่สุดของคุณ

ในระหว่างกระบวนการรีโฟลว์ อุณหภูมิพุ่งข้ามจุด Liquidus ของบาร์ซอลต์ SAC305 (ประมาณ 217°C) และพุ่งสูงสุดใกล้ 245°C ในช่วงเวลา 60 วินาทีใด ๆ ความชื้น ตัวพาเฟลกซ์ หรืออากาศที่ติดอยู่ภายใน via จะขยายตัว ก๊าซขยายตัวอย่างรุนแรง ถ้า via เป็นเพียง “เต็นท์” อย่างเคลือบผิวบัดกรี ฟิล์มโพลิเมอร์บาง ๆ นั้นจะยืดออกเหมือนลูกโป่งจนเกิดความล้มเหลว เมื่อระเบิดออก มันจะปล่อยบาร์ซอลต์หลอมละลายที่อยู่ด้านบนออก ผลลัพธ์คือหลุมในจบร้อน ส่วนประกอบที่ยกขึ้น หรือ “โพรง” ขนาดใหญ่พอที่จะล้มเหลวในการตรวจสอบ IPC Class 3 นี่คือผลของภูเขาไฟ ก๊าซไม่มีที่ไปนอกจากขึ้นบน และมันจะลากความน่าเชื่อถือของคุณไปด้วย

การตายของกระดูกสุนัข

มีช่วงเวลาหนึ่งที่คุณสามารถหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้โดยใช้การกระจาย “dog-bone” คุณจะเชื่อมเส้นทางสั้นจากแผ่น BGA ไปยัง via ที่วางอยู่ในพื้นที่เปิด ทำให้แผ่นเต็มและรูแยกกัน ช่วงเวลานั้นแทบจะสิ้นสุดสำหรับการออกแบบดิจิทัลที่มีประสิทธิภาพสูง

เมื่อคุณกำลังมองไปที่ Xilinx UltraScale+ หรือเซ็นเซอร์ความหนาแน่นสูงที่มีระยะ pitch 0.4mm รูปร่างของเส้นทางที่จะเชื่อมระหว่างแผ่นมีอยู่จริง โดยเส้นทางมาตรฐานขนาด 3-mil กับช่องว่าง 3-mil ต้องการพื้นที่มากกว่าที่ผู้ผลิตซิลิคอนให้ไว้ คุณถูกบังคับให้เจาะลงในแผ่น บางวิศวกร, อาจจะยังคงไว้ซึ่งนิสัยจากยุค pitch 1.27mm พยายามลดวงแหวนที่อยู่รอบ ๆ เป็นระดับอันตรายเพื่อสิ่งมีชีวิต อีกทั้งพวกเขายังต่อสู้กับอัตราการผลิตที่ต่ำ tolerance สำหรับการเลื่อนของเครื่องมือเจาะของโรงงานระดับกลางจะในที่สุดก็ทำให้คุณเจ็บปวด ฟิสิกส์และเรขาคณิตกำหนดว่าต้องมี via อยู่ในแผ่น คำถามไม่ใช่ "ถ้า" แต่เป็น "อย่างไร" ที่คุณจะเติมรูนี้

ภาพลวงตาของการตั้งเต็นท์และการเสียบปลั๊ก

ความผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุด—และทำให้เกิดความล้มเหลวในสนามมากที่สุด—คือสมมุติว่าแผ่นเคลือบบัดกรีมาตรฐานสามารถซีล via-in-pad ได้ โดยมักจะระบุเป็น IPC-4761 ประเภท VI หรือ “ tented and covered ” มันเป็นทางเลือกที่ดึงดูดใจเพราะไม่เสียค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม นักวิศวกร CAM เพียงแค่ปล่อยให้เปิดปิดแผ่นปิดบน via ปิดสนิท

แต่ Liquid Photoimageable (LPI) เคลือบบัดกรีไม่ใช่วัสดุโครงสร้าง มันเป็นเพียงชั้นบางของสี เมื่อคุณเคลือบผ่านviaในแผ่น คุณจะจับอากาศไว้ด้านในของท่อ ในช่วงที่แตะไปที่ 245°C อากาศจะขยายตัว เคลือบจะอ่อนตัว ความดันจะเพิ่มขึ้นจนมันระเบิดผ่านหลังคาบัดกรีที่หลอมละลาย สร้างภูเขาไฟที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ แม้ว่ามันจะไม่ระเบิด ก๊าซฟองอากาศก็อาจจะตกค้างอยู่ในบัดกรีที่เย็นตัวลง ซึ่งสร้างโพรงขนาดใหญ่ที่ทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน คุณได้วางโปรเซสเซอร์ที่ใช้พลังไฟสูงของคุณบนเบาะอากาศแทนที่จะเป็นเส้นทางความร้อนทองแดง การตั้งเต็นท์เป็นกับดัก

นักออกแบบบางคนพยายามที่จะฉลาดโดยขอให้ใช้ vias ที่ “เสียบแล้ว” พวกเขาเชื่อว่า “เสียบแล้ว” หมายความว่าหลุมถูกเติมเต็มอย่างแน่นหนา อย่างไรก็ตาม ในคำศัพท์ของโรงงานผลิต แทนที่จะหมายถึงการเสียบ “การเสียบ” มักหมายถึงการยิงบล็อกฉนวนโลหะเข้าไปในหลุมน้อยเพื่อบล็อกแสง ซึ่งแทบจะไม่เติมเต็มบาเรลให้เต็ม มันยังสร้างพื้นผิวที่ไม่เรียบอีกด้วย ความแข็งตัวของ LPI จะยุบตัวและหดตัว ทำให้เกิดรอยบุ๋มตรงกลางของแพด

เมื่อโรงงานประกอบพิมพ์แผ่นบัดกรีลงบนวัสดุที่มีรอยย่น การคำนวณปริมาณจะผิด พิมพ์จะซึมลงในรอยย่น ลูกบอล BGA ที่คาดหวังว่าจะเป็นพื้นราบจะต้องสร้างสะพานระหว่างรู นำไปสู่ข้อบกพร่อง“ หัวในหมอน ” ซึ่งลูกบอลวางบนแผ่น แต่ไม่เชื่อฟังกับมัน สร้างการเชื่อมต่อแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งอาจผ่านการทดสอบในโรงงานแต่ล้มเหลวเมื่อผู้ใช้ทิ้งอุปกรณ์ พอค้อลงรอยรั่วของรู เป็นอีกหนึ่งข้อผิดพลาดที่รออยู่

ทางเดียวที่ออกไปได้: ประเภท VII (VIPPO)

วิธีแก้ทางวิศวกรรมเดียวที่สอดคล้องกับฟิสิกส์ของการรีโฟลว์คือ IPC-4761 ประเภท VII หรือที่เรียกกันในวงการว่า VIPPO (Via-in-Pad Plated Over) มันไม่ใช่ขั้นตอนเดียว แต่อยู่ในลำดับของกระบวนการผลิตที่ออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนรูให้กลายเป็นแผ่นทองแดงที่เรียบและแข็งแรงอีกครั้ง.

กระบวนการเริ่มต้นหลังจากการเจาะและชุบพื้นผิวเบื้องต้น ผู้ผลิตบังคับให้วัสดุเรซินอีพ็อกซี่เฉพาะทางเข้าไปในท่อผ่าน สารนี้ไม่ใช่แผ่นปิดตะกั่ว มันเป็นสารเติมเต็มรูที่อุทิศให้ เมื่อแข็งตัวแล้ว แผ่นบอร์ดจะผ่านขั้นตอนการปรับระดับ — ซึ่งเป็นการขัดเนื้อด้วยกลไกเพื่อขูดเอาสารอีพ็อกซี่เกินออกให้เรียบเสมอกับพื้นผิวทองแดง ในที่สุด แผ่นจะกลับเข้าไปในถังชุบ หนึบของทองแดงจะถูกชุบเคลือบไว้บนรูที่เติมเต็มและขัดแล้ว

ผลลัพธ์คือแป้นที่ดูและทำงานเหมือนทองแดงแท้ ไม่มีรูสำหรับปล่อยแก๊ส ไม่มีร่องสำหรับให้ตะกั่วซึมเข้าสู่ ตัวบอล BGA นั่งอยู่บนพื้นผิวที่เรียบและนำกระแสไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์ ความร้อนจากชิ้นส่วนจะไหลผ่านฝาครอบทองแดง เข้าสู่ผนังของท่อผ่าน และลงไปที่แผนภายใน ซึ่งสร้างแป้นทองแดงเป็นเนื้อเดียวกันที่ทนต่อการปล่อยก๊าซออกมา

การปรับระดับเป็นส่วนสำคัญในกระบวนการนี้ หากคุณระบุว่า "เติมเต็มท่อ" โดยไม่ระบุว่า "ปิดและชุบเคลือบ" คุณจะได้ท่อเต็มไปด้วยเรซินอีพ็อกซี่ที่ผิวบนเปิดโล่ง ตะกั่วไม่ติดกับอีพ็อกซี่ คุณจะได้โดนัททองแดงที่ตรงกลางไม่เปียกชื้น ซึ่งอาจแย่กว่าร่อง คุณจำเป็นต้องมีฝา

ตำนานความนำไฟฟ้า

เมื่อระบุวัสดุเติมเต็ม คุณจะพบกับการสนทนาที่ยืนยาว: การเติมเต็มที่นำไฟฟ้าได้เทียบกับการเติมเต็มที่ไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ วิศวกรหลายคนเชื่อโดยสัญชาตญาณว่า "นำไฟฟ้าดีกว่า" และระบุอีพ็อกซี่ที่เติมด้วยเงินหรือทองแดง เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพทางความร้อน สำหรับชั้นความน่าเชื่อถือมาตรฐาน นี่เกือบจะเป็นความผิดพลาดเสมอ

พาสตี้ที่นำไฟฟ้ามีค่าสัมประสิทธิ์ขยายตัวความร้อน (CTE) ต่างจากแผ่นรอง FR4 ของเหลวอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อบอร์ดร้อนและเย็นตัวระหว่างการทำงาน บอร์ดจะขยายออกในอัตราหนึ่ง (การขยายตัวของแกน Z) และวัสดุเติมนำไฟฟ้าจะขยายออกในอีกรอบ ความไม่ลงรอยนี้สร้างความเครียดให้กับท่อชุบทองแดง เมื่อจำนวนรอบความร้อนที่เพียงพอ วัสดุเติมจะทำงานเหมือน wedge ทำให้เข่าทองแดงแตกร้าวหรือแยกชั้นชุบออกจากผนังรู

อีพ็อกซี่ที่ไม่สามารถนำไฟฟ้ามีสูตรเฉพาะเพื่อให้ตรงกับ CTE ของแผ่นรอง FR4 แบบ Tg170 มันเคลื่อนที่ไปพร้อมกับบอร์ด และในเรื่องของการส่งความร้อน: การส่งความร้อนในท่อเกิดขึ้นส่วนใหญ่ผ่านท่อชุบทองแดง ไม่ใช่แกนกลาง ความแตกต่างของความต้านทานความร้อนระหว่างท่อเติมด้วยเงินและท่ออีพ็อกซี่มาตรฐานถือเป็นเรื่องเล็กน้อยสำหรับการใช้งาน 95% เว้นแต่ว่าคุณจะนำกระแส DC 50 แอมป์ ซึ่งความต้านทานไฟฟ้าของท่อเป็นค่าชี้วัดเดียว ความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือของการเติมเต็มที่นำไฟฟ้าได้เกินความจำเป็น คือ การเสียเปรียบทางทฤษฎี จงใช้วัสดุเติมเต็มที่ไม่สามารถนำไฟฟ้าได้

เขียนโน้ต Fab

คุณไม่สามารถไว้วางใจวิศวกร CAM ให้เดาความตั้งใจของคุณได้ หากคุณปล่อยให้ท่อในแป้นและส่งไฟล์ Gerber ออกมา ร้านค้าที่ใส่ใจจะหยุดงานไว้ ร้านงบประมาณจะดำเนินการเป็นรูเปิดธรรมดา แล้วตะกั่วจะดูดลงไปในท่อในระหว่างการประกอบ ทำให้ขาอุปกรณ์แห้ง — เป็นการรู้จักกันในชื่อ “ขโมยตะกั่ว” แบบคลาสสิก

คุณต้องเพิ่มชั้นพิเศษหรือข้อความในภาพวาดการผลิตของคุณ ต้องชัดเจน อย่าใช้คำกว้าง ๆ เช่น "อุด" ให้ใช้คำจำกัดความตามมาตรฐานอุตสาหกรรม:

กระบวนการนี้มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม ขึ้นอยู่กับปริมาณและร้านค้า อาจเพิ่มขึ้น 15% ถึง 30% จากราคาบอร์ดเปล่า เพราะต้องมีรอบการชุบพิเศษและขั้นตอนการปรับระดับด้วยมือ แต่คุณไม่ได้จ่ายเงินเพื่อรู; คุณจ่ายเพื่อการไม่มีภูเขาไฟ เปรียบเทียบค่าบอร์ดที่เพิ่มขึ้น 20% กับต้นทุนของการนำร่องการผลิต 5,000 หน่วย เพราะ QFN ลอยอยู่บนก้อนฟองอากาศ คณิตศาสตร์ง่ายๆ ฟิสิกส์ไม่ต่อรอง

กระบวนการนี้เพิ่มต้นทุน ขึ้นอยู่กับปริมาณและโรงงาน มันอาจเพิ่ม 15% ถึง 30% ไปยังราคาบอร์ดเปล่า เพราะต้องการรอบการวางชุบเพิ่มเติมและขั้นตอนการปรับระดับด้วยมือ แต่คุณไม่ได้จ่ายเงินสำหรับรู; คุณจ่ายเงินสำหรับการไม่มีภูเขาไฟ ลองเปรียบเทียบการเพิ่มต้นทุนบอร์ดที่ 20% กับต้นทุนการทิ้งงานผลิต 5,000 ชิ้น เพราะ QFNs ลอยอยู่บนฟองอากาศ คณิตศาสตร์เป็นเรื่องง่าย ฟิสิกส์ไม่เจรจา