เมื่อ ENIG ช่วยแก้ปัญหาเสียงเงียบของ QFN Thermal Pad

การคืนสินค้าทั้งหมดมักย้อนกลับไปยังความล้มเหลวเงียบ ๆ เดียวกัน: ช่องว่างใต้แผ่นความร้อนของบรรจุภัณฑ์ QFN ผลิตภัณฑ์ผ่านการทดสอบเบื้องต้น จัดส่งให้ลูกค้า แล้วเริ่มล้มเหลวภายใต้ภาระความร้อนต่อเนื่อง สำหรับผู้จัดการวิศวกรรมที่วิเคราะห์สาเหตุ ปัญหานี้น่าหงุดหงิด แต่แน่นอน ในการฝังซ็อลเดอร์ที่ไม่สมบูรณ์บนแผ่นทองแดงขนาดใหญ่สร้างช่องว่างที่ลดการถ่ายเทความร้อน นำไปสู่การล้มเหลวของส่วนประกอบก่อนเวลา คำตอบคือการปรับแต่งโปรไฟล์การฟื้นฟูหรือปรับขนาดเปิดของสแตนซิล แต่สิ่งเหล่านี้เป็นเพียงการบีบของแผลลึก

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดคือพื้นผิว การสร้างเงื่อนไขให้ HASL ทำให้เกิดช่องว่างในแผ่นความร้อน ในขณะที่ ENIG ป้องกันไม่ให้เกิดขึ้น ตั้งแต่แรก ความแตกต่างนี้ไม่ใช่เกี่ยวกับเคมีของการชุบเท่านั้น แต่เป็นเรื่องของความเป็นจริงเชิงกล: ความเรียบของพื้นผิวสำเร็จรูปเป็นตัวกำหนดว่าซ็อลเดอร์จะเปียกชื้นเต็มที่และเร้มอกสามารถหลบหนีได้ในระหว่างการฟื้นฟู บนแผ่นที่มีความละเอียดสูงและอุณหภูมิสูงที่มี QFN ความแตกต่างนี้เป็นเส้นแบ่งระหว่างการผลิตที่เชื่อถือได้และความล้มเหลวในสนามที่มีค่าใช้จ่ายสูง

ความเข้าใจความแตกต่างนี้เป็นกุญแจสำคัญ การสนับสนุน ENIG ไม่ใช่เกี่ยวกับการแสวงหาความสมบูรณ์แบบ แต่เป็นการบริหารความเสี่ยง มันเกี่ยวกับการเปรียบเทียบต้นทุนที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยของบอร์ดกับต้นทุนที่ไม่สามารถกู้คืนได้ของความไม่เสถียรทางความร้อน ข้อด้อยด้านการออกแบบสแตนซิล และความล้มเหลวในสนาม

ทำไมแผ่นความร้อน QFN จึงเกิดช่องว่าง

แพ็กเกจ QFN ใช้แผ่นความร้อนกลางขนาดใหญ่เพื่อกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเข้าสู่อิเล็กตรอนพีซีบี แผ่นนี้ ซึ่งมักมีขนาดเป็นสี่เหลี่ยมหลายมิลลิเมตร เป็นความแตกต่างอย่างพื้นฐานจากแผ่นสัญญาณขอบเขตเล็ก ๆ มันเป็นพื้นที่ทองแดงต่อเนื่องเดียวที่ถูกออกแบบมาเพื่อสร้างเส้นทางความร้อนที่มีความต้านทานต่ำจากชิปไปยังแผ่นบอร์ด ในขณะที่สำคัญต่อประสิทธิภาพทางความร้อน ขนาดและความต่อเนื่องของมันสร้างสภาพแวดล้อมที่ท้าทายสำหรับเทปบัดกรีในระหว่างการประกอบ

ในช่วงการฟื้นฟู ซ็อลเดอร์เพสต์บนแผ่นนี้จะเปลี่ยนแปลง เพสต์เป็นส่วนผสมของลูกซ็อลเดอร์ที่แขวนลอยในฟลักซ์ ให้ความร้อนและฟลักซ์จะทำงานเพื่อทำความสะอาดพื้นผิวโลหะก่อนที่มันจะระเหย ลูกซ็อลเดอร์จะพังเป็นกองของเหลว สำหรับแผ่นสัญญาณเล็ก กระบวนการนี้ง่าย ปริมาณเพสต์น้อย ซ็อลเดอร์ที่ละลายจะเปียกชื้นทองแดงอย่างรวดเร็ว และฟลักซ์ที่ระเหยจะออกจากขอบแผ่นง่าย

แผ่นความร้อนเป็นเรื่องอื่น พื้นที่ขนาดใหญ่มากต้องการเพสต์มากขึ้น หมายถึงฟลักซ์มากขึ้นและเส้นทางออกก๊าซที่นานขึ้น เมื่อซ็อลเดอร์พังทลาย มันพยายามเปียกชื้นพื้นผิวแผ่นทั้งหมดพร้อมกัน หากพื้นผิวไม่เรียบหรือซ็อลเดอร์เปียกไม่สม่ำเสมอ กระเป๋าอากาศของฟลักซ์จะถูกทับอยู่ใต้โลหะที่แข็งตัว ช่องว่างเหล่านี้ไม่ใช่ความผิดเพียงผิวเผิน แต่เป็นรูรั่วที่ลดพื้นที่การสัมผัสระหว่าง QFN กับ PCB ทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ของความต้านทานความร้อนสูง ภายใต้การทำงานต่อเนื่อง จุดร้อนเหล่านี้เร่งการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบโดยตรง เป็นสาเหตุของความล้มเหลวในสนามที่ทีมงานวิศวกรรมได้รับการว่าจ้างให้ป้องกัน

การก่อตัวของช่องว่างไม่ใช่เรื่องสุ่ม มันเป็นผลโดยตรงจากวิธีการที่ซ็อลเดอร์เปียกชื้นพื้นผิวและวิธีการที่ฟลักซ์หลบหนีในช่วงเวลาสั้น ๆ ของการฟื้นฟู ซึ่งทั้งสองถูกควบคุมโดยพื้นผิวสำเร็จรูป

การแบ่งสรรพื้นผิวสำเร็จ: ความเรียบเป็นตัวแปรที่ซ่อนอยู่

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่าง ENIG กับ HASL ไม่ใช่รายละเอียดต่ำในวิทยาศาสตร์วัสดุ แต่เป็นเรื่องของรูปทรงพื้นผิว HASL ให้พื้นผิวที่เป็นซี่ ๆ ไม่เรียบและมีความหนาแตกต่างกันอย่างมาก ในขณะที่ ENIG ให้พื้นผิวที่เป็นรูปแบบสมมาตร สม่ำเสมอ และราบเรียบในระดับความคลาดเคลื่อนต่ำกว่าจุดเมตร ความเรียบนี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ ENIG ดีกว่าบนแผ่นความร้อนของ QFN

HASL (การปรับระดับซ็อลเดอร์ด้วยอากาศร้อน) ถูกนำมาใช้โดยการจุ่มแผ่นวงจรพิมพ์ลงในซ็อลเดอร์ละลายและฉีดพ่นออกด้วยมีดอากาศร้อน ผลลัพธ์คือเคลือบผิวที่ตามหลังทองแดงฐานแต่มีความแตกต่างทางภูมิประเทศที่สำคัญ ความหนาอาจอยู่ระหว่าง 1 ถึง 40 ไมครอน และพื้นผิวมีลักษณะเป็นลวดลายคลื่นจากการปรับระดับด้วยอากาศ ในแผ่นขนาดเล็ก ความไม่เสมอภาคนี้มักไม่สำคัญมาก ในแผ่นความร้อนขนาดใหญ่ พื้นผิวซี่สร้างภูมิประเทศของจุดสูงและจุดต่ำ ซึ่งซ็อลเดอร์หลอมเหลวพยายามจะซึมเข้าไปและก๊าซฟลักซ์ไม่มีทางออกที่ชัดเจน พื้นผิวเองทำหน้าที่เป็นสิ่งกีดขวาง Trapping ฟลักซ์ในบริเวณต่ำขณะที่ซ็อลเดอร์แข็งตัวลง บริเวณที่ถูกทับถมเหล่านี้กลายเป็นช่องว่าง

ENIG (ชุบโ Nickel จุ่มทองคำ) เป็นกระบวนการชุบ พื้นผิวของนิกเกิลบางๆ ถูกเคมีตกแต่งบนทองแดง ตามด้วยชั้นทองเพื่อป้องกัน กระบวนการนี้มีความเข้ากันได้ดีกับพื้นผิว โดยติดตามพื้นผิวทองแดงด้วยความแม่นยำเกือบสมบูรณ์ในขณะที่เพิ่มเฉพาะ 3 ถึง 5 ไมครอนของนิกเกิลและเศษของไมครอนของทอง ผิวที่ได้ไม่เพียงแค่ราบเรียบเท่านั้น แต่คาดการณ์ได้ว่าเป็นพื้นผิวเรียบ รอยเกลียว การไล่ระดับความหนา และสิ่งกีดขวางทางภูมิศาสตร์บนผิวหน้าที่ส่งผลต่อการไหลของบัดกรี

ความเรียบนี้มีผลทางกลโดยตรง ในระหว่างการละลาย พื้นผิว ENIG ที่ราบเรียบของบัดกรีหลอมละลายจะเปียกอย่างเป็นวงกลมและสม่ำเสมอ ฟลักซ์ซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าจะถูกผลักออกไปยังขอบแผ่นรองซึ่งสามารถระเหยได้ง่าย น้ำยาละลายจะลงไปในพื้นที่ทองคำบนผิว ENIG ที่เต็มไปด้วยสระล้อมรอบด้วยภูมิประเทศที่ซับซ้อน ซึ่งฟลักซ์จะติดอยู่ในหุบเขาก่อนที่จะสามารถหนีได้ ความแตกต่างนี้สามารถวัดได้: แผ่นพักความร้อน ENIG มักแสดงเปอร์เซ็นต์ช่องว่างต่ำกว่า 5% ขณะที่แผ่นพัก HASL ในการประกอบเดียวกันมักเกิน 20% ถึง 30%

ความแปรผันของความหนาของ HASL ทำให้เกิดการเว้นว่างมากขึ้น

แผนผังความถี่ละเอียดทำให้ความไม่สม่ำเสมอของ HASL เป็นปัญหาเพิ่มเติม เมื่อแผ่นรองสัญญาณอยู่ในระยะใกล้เคียงกัน โอกาสที่บัดกรีจะลื่นข้ามเพิ่มขึ้น เพื่อบรรเทาปัญหานี้ นักออกแบบมักลดความหนาสแตนซิล หรือลดขนาดรูของแผ่นเพื่อวางปริมาณแป้งน้อยลง การแลกเปลี่ยนนี้เป็นการจัดการที่สามารถทำได้สำหรับแผ่นรองสัญญาณขนาดเล็ก แต่จะทำให้แผ่นรองความร้อนขาดแคลนถ้าใช้สแตนซิลเดียวกันทั่วบอร์ด

การวางแป้งที่บางกว่าบนผิวที่ไม่สม่ำเสมออยู่แล้วของ HASL จะทำให้การเปียกไม่สมบูรณ์มากขึ้น ซึ่งมีเพียงน้อยลงของบัดกรีเหลวที่จะไหลเข้าสู่หุบเขาของโครงสร้างแบบลายฉลุ ซึ่งเพิ่มโอกาสในการติดขังของฟลักซ์ ผลลัพธ์คืออัตราการว่างเปล่าที่สูงขึ้นบนบอร์ดที่มีความถี่ละเอียดและมี HASL—โดยเฉพาะบอร์ดที่พึ่งการทำงานของความร้อนที่สำคัญกว่า ผิวด้านราบของ ENIG ช่วยขจัดผลกระทบนี้ พื้นผิวที่เรียบเสมอกันช่วยให้การเปียกสมบูรณ์แม้กับปริมาณแป้งลดลง ทำให้การออกแบบสแตนซิลเป็นสมดุลน้อยลง

เสถียรภาพการถ่ายเทความร้อนและความน่าเชื่อถือในระยะยาว

วัตถุประสงค์เพียงอย่างเดียวของแผ่นความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนจากชิป QFN ไปยัง PCB ซึ่งสามารถกระจายผ่านแผ่นทองแดงหรือฮีทซิงค์ ประสิทธิภาพของการถ่ายเทนี้ขึ้นอยู่กับการนำความร้อนของบัดกรีและความสมบูรณ์ของการสัมผัสทางกายภาพ ช่องว่างทำให้ประสิทธิภาพลดลง

ช่องว่างแต่ละช่องเป็นเกาะของฉนวนความร้อนเป็นศูนย์ ความร้อนจะต้องไหลรอบมัน สร้างความต้านทานความร้อนในระดับหนึ่ง ช่องว่างขนาดใหญ่หนึ่งช่องหรือกลุ่มของช่องว่างเล็กๆ สามารถทำให้ความร้อนของจุดเชื่อมต่อของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นเป็นจำนวนองศาเซลเซียสหลายองศา เมื่อใช้อุปกรณ์ที่กำลังสูงหรือส่วนประกอบที่ทำงานใกล้ขีดจำกัดความร้อน การเพิ่มนี้จะเป็นความแตกต่างระหว่างการทำงานที่เชื่อถือได้และการสึกหรอเร็วขึ้น อุปกรณ์อาจผ่านการทดสอบการทำงานเบื้องต้นได้ แต่การเปลี่ยนความร้อนต่อเนื่องในสนามจะนำไปสู่ความเครียดของบัดกรี การเติบโตของโลหะผสมระหว่างกัน หรือการเกิดความร้อนที่คงที่ผิดปกติ

สมรรถนะต่ำของ ENIG ในการว่างเปล่าที่น้อยช่วยให้อัตราความต้านทานความร้อนมีเสถียรภาพและสามารถทำนายได้ตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ ขอบเขตบัดกรีนิกเกิล-บัดกรีที่สม่ำเสมอที่สร้างขึ้นในระหว่างการละลายร้อนทนทาน และความเรียบที่ป้องกันการว่างเปล่าระหว่างประกอบทำให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสเต็มในช่วงการวนรอบความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับ ความเชื่อมของ HASL ซึ่งมักเริ่มต้นด้วยสัมผัสความร้อนที่เสี่ยงต่อความเสียหายและอาจเสื่อมสภาพเพิ่มเติมเนื่องจากผิวฉลุส่งเสริมการเติบโตของโลหะผสมระหว่างกันซึ่งไม่สม่ำเสมอ สำหรับบอร์ดที่จำเป็นต้องควบคุมความร้อนอย่างเคร่งครัด เช่น ตัวจ่ายแอลอีดี, คอนเวอร์เตอร์ไฟฟ้า, หรือแอมพลิไฟเออร์ RF ผิวรับรองไม่ได้เป็นเพียงเรื่องบังเอิญ มันกำหนดว่าการออกแบบความร้อนจะทำงานตามแบบจำลอง

กลยุทธ์การสร้างหน้าต่างสแตนซิลสำหรับ ENIG

ความเรียบของ ENIG เปิดโอกาสให้ปรับการออกแบบสแตนซิลโดยเฉพาะเพื่อประสิทธิภาพด้านความร้อน ผิวราบของมันช่วยให้บัดกรีสามารถปล่อยออกจากรูระบายได้อย่างสะอาด ทำให้สามารถใช้งานลวดลายหน้าต่างที่รุนแรงซึ่งไม่น่าเชื่อถือบน HASL ได้

พารามิเตอร์สำคัญคืออัตราส่วนพื้นที่ ซึ่งกำหนดเป็นพื้นที่เปิดของรูรูต่อพื้นที่ผนังของรูอัตราส่วน 0.5 ถึง 0.6 เป็นขั้นต่ำทั่วไปสำหรับการปล่อยแป้งที่ดี ผิวเรียบของ ENIG ช่วยลดแรงเสียดทานขณะแยกสแตนซิล ทำให้สามารถใช้อัตราส่วนพื้นที่ต่ำกว่านี้ได้หากจำเป็น ที่สำคัญคือ มันเปิดโอกาสให้ใช้ลวดลาย “หน้าต่าง” ซึ่งแบ่งแผ่นรองความร้อนขนาดใหญ่ออกเป็นตารางของรูเปิดขนาดเล็กกว่า—โดยไม่มีข้อผิดพลาดในการปล่อยที่อาจเกิดขึ้นบนผิว HASL ที่ไม่เรียบ

สแตนซิลหน้าต่างให้ประโยชน์สองอย่าง คือแรก ช่วยให้การปล่อยแป้งสม่ำเสมอขึ้นโดยการเพิ่มอัตราส่วนรอบต่อพื้นที่ของแต่ละรูเปิด ที่สอง สร้างการสะสมบัดกรีที่แตกต่างกันหลายแห่งที่รวมกันในระหว่างการละลายร้อน ให้ฟลักซ์มีช่องทางมากขึ้นในการหนีออกจากการรวมกันเดียวที่ใหญ่กว่า กลยุทธ์ทั่วไปสำหรับแผ่นความร้อนขนาด 5 มม. คือการใช้แผนผัง 3×3 หรือ 4×4 ของรูเปิดสี่เหลี่ยมเพื่อครอบคลุม 80% ถึง 90% ของพื้นที่แผ่นรวม ช่องว่างระหว่างสี่เหลี่ยมเหล่านี้กลายเป็นช่องระบายอากาศสำหรับฟลักซ์ในช่วงวิกฤติของการละลายร้อน

กลยุทธ์นี้ขึ้นอยู่กับความเรียบของ ENIG บน HASL พื้นผิวฉลุจะทำให้เกิดการปล่อยแป้งที่ไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งหน้าต่าง ซึ่งนำไปสู่การสะสมของบัดกรีที่ไม่เท่ากัน และย้อนกลับกันจะทำให้เกิดช่องว่างมากขึ้น ENIG ช่วยให้สแตนซิลเป็นเครื่องมือสำหรับลดช่องว่าง จ rather than เป็นแหล่งของความแปรปรวน

แม้ว่ารุ่นผิวเรียบอื่นเช่น OSP หรือเงินเคลือบจะมีประโยชน์ในการปล่อยสแตนซิลเช่นกัน แต่พวกเขาขาดความมั่นคงของ ENIG OSP อาจเป็นสนิมได้ถ้าบอร์ดไม่ได้ประกอบทันที และเงินเคลือบอาจเกิดสนิมหรือเสียหายจากรอบการละลายหลายๆ ครั้ง ชั้นทองของ ENIG ให้พื้นผิวที่เสถียรและสามารถเชื่อมต่อกับบัดกรีได้ ซึ่งทนต่อการจัดการ ชะลอ และแก้ไข

ต้นทุนที่แท้จริงของการเปลี่ยนแปลง

ต้นทุนเป็นข้อคัดค้านที่พบได้บ่อยที่สุดต่อ ENIG และมันสมควรได้รับคำตอบที่แม่นยำ ขณะที่ ENIG มีราคาสูงกว่า HASL ต่อบอร์ด แต่ความแตกต่างนั้นเล็กน้อยและขึ้นอยู่กับบริบทมากกว่าที่หลายคนเข้าใจ สำหรับการผลิตในปริมาณน้อยถึงกลาง (จำนวนรัน 100 ถึง 5,000 บอร์ด) ต้นทุนเพิ่มเติมนี้สามารถวัดได้เป็นเซนต์หรือดอลลาร์ต่อบอร์ด ไม่ใช่เปอร์เซ็นต์โดยนามธรรม

โดยทั่วไป ENIG เพิ่มประมาณ $1.50 ถึง $3.00 ต่อตารางฟุตของพื้นที่บอร์ด เมื่อเทียบกับ HASL สำหรับบอร์ดขนาด 100 มม. x 100 มม. นี้แปลเป็นประมาณ $0.20 ถึง $0.40 ต่อบอร์ด สำหรับการผลิต 500 บอร์ด ความแตกต่างรวมคือ $100 ถึง $200 สำหรับการผลิต 5,000 บอร์ด คือ $1,000 ถึง $2,000 นี่เป็นต้นทุนจริง แต่สามารถคาดการณ์ได้และมีความแน่นอน

ต้นทุนของการส่งกลับภาคเดียวแบบเดียวกัน ไม่ใช่เช่นนั้น การดำเนินการ RMA การวิเคราะห์ความผิดพลาด การเปลี่ยนหน่วย และความเสียชื่อเสียงสามารถสร้างค่าใช้จ่ายเป็นพันดอลลาร์ต่อเหตุการณ์ ซึ่งมากกว่าค่า ENIG ที่เรียกเก็บในแต่ละรันผลิตทั้งหมด หาก ENIG กำจัดความล้มเหลวในหนึ่งฟิลด์ที่เกิดจากช่องว่างของแผ่นเทอร์มอลแพด การลงทุนก็จะคุ้มค่าตัวเอง สำหรับสินค้าในที่มีส่วนประกอบที่ใช้พลังงานสูงหรือที่ติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ การเป็นไปได้ของความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับช่องว่างใน HASL ก็ไม่ใช่เรื่องเล็ก นวัตกรรม ENIG นำไปสู่ความเป็นไปได้ที่ใกล้ศูนย์

สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำ ซึ่ง QFN ทำงานได้ดีภายใต้ขีดจำกัดทางความร้อน หรือสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ไม่ใช่สำคัญ ซึ่งความล้มเหลวเป็นระยะ ๆ ก็สามารถรับได้ HASL อาจเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม ช่องว่างยังคงเกิดขึ้น แต่ถ้าสายแวเทอร์มอลมีขนาดพอสมควร องค์ประกอบนั้นก็จะทำงานต่อไปได้ แม้ว่าจะมีช่องว่างเป็นส่วนหนึ่งของการคำนวณความเสี่ยง ไม่ใช่ความเท่าเทียมทางเทคนิค ENIG จัดการความเสี่ยงนั้นได้; HASL ต้องการช่องว่างนี้เพื่อรองรับมัน

นำเสนอสู้ความต่อผู้นำ

ข้อโต้แย้งสำหรับ ENIG ไม่ใช่เรื่องของการเป็นพื้นผิวพรีเมียม ข้อโต้แย้งคือว่า มันแก้ไขลักษณะความล้มเหลวเฉพาะที่สามารถทำนายได้ ซึ่ง HASL ทำไม่ได้ โซ่เหตุผลเป็นทางตรง: โทโพโลยีที่เป็นซักลอนของ HASL จักการลักพวก flux สร้างช่องว่างใต้แผ่นเทอร์มอลของ QFN ช่องว่างเหล่านี้ทำให้การถ่ายเทความร้อนลดลง เพิ่มอุณหภูมิจัณฑ์และทำให้เกิดความล้มเหลวของส่วนประกอบในสนาม ENIG ที่เป็นแผนที่เป็นไปตามรูปแบบช่วยให้ flux หลบหนีและสารเชื่อมต่อหลอมละลายเต็มที่ ทำให้ช่องว่างหายไปและรับประกันเสถียรภาพทางความร้อน

เมื่อเสนอนี้ให้กับผู้นำ คำอธิบายคือ การบรรเทาความเสี่ยง ต้นทุนของ ENIG เป็นการลงทุนเพื่อหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายที่ไม่สามารถคาดการณ์ได้มากขึ้น เช่น การส่งคืนในสนาม คำเรียกร้องรับประกัน และการออกแบบใหม่ กลไกได้รับการพิสูจน์แล้ว ความแตกต่างของต้นทุนมีขนาดเล็ก และทางเลือกคือต้องยอมรับกลไกความผิดพลาดที่ทราบ และหวังว่าสายแวเทอร์มอลของคุณจะกว้างพอที่จะรองรับมัน

บนบอร์ดที่มีระยะจุดละเอียดและความร้อนสูง ซึ่ง QFN เป็นสิ่งจำเป็น ความหวังไม่ใช่กลยุทธ์วิศวกรรมที่เชื่อถือได้