การวิเคราะห์ช่องว่างเอ็กซ์เรย์: เกณฑ์ที่ตรงกับระดับ IPC

แบบทดสอบรอชาชของการผลิต

เมื่อคุณมองภาพเอกซเรย์แบบเกรย์สเกลของ BGA เป็นครั้งแรก สัญชาตญาณของคุณมักจะร้อนใจ คุณจะเห็นวงกลมมืด (ลูกบิดบัดกรี) ที่เต็มไปด้วยรอยด่าง lighter, irregular blotches ดูเหมือนโรค, ฟองน้ำ, หรือ—สำหรับผู้ที่ไม่คุ้นเคย—ความบกพร่องที่ต้องกำจัด

อย่างไรก็ตาม ในห้องตรวจสอบ เราไม่ได้ตรวจสอบเพื่อความสวยงาม แต่เพื่อตรวจสอบฟิสิกส์ รอยด่าง lighter เหล่านี้คือโพรงอากาศ—ถุงก๊าซที่ถูกติดอยู่ระหว่างกระบวนการ reflow พวกมันดูน่าเกลียดใช่ไหม แต่ในกรณีส่วนใหญ่มันเป็นความปลอดภัยเชิงโครงสร้าง

ความท้าทายในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่คือการไม่สามารถสร้างจุดบกพร่องในบัดกรีให้สมบูรณ์แบบ ซึ่งเป็นกิจกรรมที่มีค่าใช้จ่ายสูงและอาจเป็นอันตราย ความท้าทายคือการแยกแยะระหว่างโพรงอากาศภายนอกที่ดูไม่ดีซึ่งจะอยู่ได้อีกสิบปีในสนาม กับโพรงอากาศเชิงโครงสร้างที่จะแตกร้าวภายใต้ความร้อน เพื่อทำเช่นนั้น เราต้องละเว้นปฏิกิริยาแน่ใจต่อภาพที่ “น่าเกลียด” และขึ้นอยู่กับอัตราส่วนพื้นที่ตามที่กำหนดใน IPC-A-610

กฎ 25%

มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับความยอมรับของการประกอบอิเล็กทรอนิกส์, IPC-A-610, เป็นที่น่าประหลาดใจที่มีความเมตตาเมื่อพูดถึงโพรงอากาศ ไม่ว่าคุณจะสร้างผลิตภัณฑ์ Class 2 (แล็ปท็อป, คอนโทรลอุตสาหกรรม) หรือผลิตภัณฑ์ Class 3 (สนับสนุนชีวิต, วิทยาการอวกาศ) เกณฑ์สำหรับการเว้นวรรคใน BGA มักจะเหมือนกัน ตาม IPC-A-610 และ J-STD-001 คู่กัน ลูกบิดบัดกรีถือว่ายอมรับได้ ถ้าพื้นที่โพรงรวมกันไม่เกิน 25% ของพื้นที่ลูกบิดทั้งหมด

จำนวนนี้มักจะทำให้คนช็อก โพรง 25% บนหน้าจอดูเหมือนว่าการเชื่อมต่อหายไปกว่าหนึ่งในสี่ แต่กฎฟิสิกส์เล่าเรื่องราวที่แตกต่างออกไป เทปบัดกรี โดยเฉพาะอัลลอยไม่มีสารตะกั่ว SAC305 มาตรฐาน มีฟลักซ์ที่ระเหยออกได้ซึ่งจะปล่อยก๊าซออกในระหว่าง reflow หากเวลาที่อยู่เหนือ liquidus สั้น หรือหากชิ้นส่วนน้ำหนักมาก ก๊าซบางส่วนจะติดอยู่ ซึ่งเป็นเรื่องธรรมดา ส่วนอีก 75% ของปริมาตรบัดกรีก็เพียงพอที่จะนำกระแสไฟฟ้าและทนต่อแรงกระแทกทางกล

จากการศึกษาภายในและข้อมูลความน่าเชื่อถือของอุตสาหกรรม แสดงให้เห็นว่าลูกบิดบัดกรี BGA ที่มีโพรง 15–20% มักจะอยู่รอดได้เท่ากับวงจรความร้อนของโพรง 1%

มีการเคลื่อนไหวซึ่งบ่อยครั้งผลักดันโดยผู้ผลิตนิกส์ระดับสูง แนะนำว่า ใด ๆ การเป็นโมฆะเป็นความล้มเหลว คุณอาจได้ยินข้อโต้แย้งสำหรับเตาอบอโบหรือสูญญากาศ ซึ่งดูดอากาศออกจากห้องในระหว่างการบัดกรีเพื่อให้ฟองอากาศระเบิดออก หากคุณกำลังสร้างดาวเทียมสำหรับอวกาศลึกซึ่งการซ่อมแซมเป็นไปไม่ได้ การบัดกรีด้วยสูญญากาศเป็นข้อกำหนดที่ถูกต้อง แม้จะมีราคาแพงก็ตาม สำหรับอิเล็กทรอนิกส์อื่น 99% การไล่ตาม voids ศูนย์เป็นการเสียเงินและงบประมาณด้านความร้อน การนำบอร์ดไปใช้หลายรอบเพื่อซ่อมแซม void 15% ที่ด้านล่างนั้นทำให้แผ่นลามิเนตและเบอร์ทองแดงเสียหายมากกว่าที่ void เคยทำไว้

เรขาคณิตของการยอมรับ

การตรวจสอบเป็นการคำนวณทางเรขาคณิตย์ ไม่ใช่การตรวจสอบความรู้สึก เมื่อเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์อัตโนมัติ (AXI) หรือผู้ดำเนินการมนุษย์ตรวจสอบ BGA งานคือการคำนวณพื้นที่ฉายของ voids เมื่อเทียบกับพื้นที่ฉายของลูกบอล เป็นอัตราส่วนง่ายๆ: (ผลรวมของพื้นที่ void) / (พื้นที่รวมของลูกบอล) หากลูกบอลมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มิล เราวัดจำนวนพิกเซลของจุดแสงเทียบกับวงกลมมืด

อย่างไรก็ตาม voids มักจะไม่สมบูรณ์แบบเป็นวงกลม พวกมันมักจะปรากฏเป็น "ชีสสวิส"—กลุ่มของฟองอากาศเล็กยุบรวมกันและแยกออก การคำนวณพื้นที่อย่างแม่นยำของรูปร่างไม่ปกติเหล่านี้เป็นการประมาณผล แม้แต่สำหรับอัลกอริทึมขั้นสูง เครื่องจะวาดเส้นรอบรูปกลุ่ม void และรวมผล

เมื่อผลลัพธ์อยู่ใกล้ขีดจำกัด—เช่น 24% หรือ 26%—การตัดสินใจของมนุษย์จะมีความสำคัญ เราต้องดูความเที่ยงตรงของภาพ เป็น void ขนาดใหญ่อย่างเดียว หรือเป็นกลุ่มย่อยของ void เล็ก ๆ? มาตรฐานอนุญาตให้คำนวณรวมกันได้ หมายถึง ฟองอากาศเล็ก ๆ นับเท่ากับหนึ่งก้อนใหญ่ หากไม่ละเมิดกฎอื่น ๆ เกี่ยวกับตำแหน่ง

ข้อยกเว้นของแผ่นความร้อน (QFN/BTC)

เกณฑ์เปลี่ยนแปลงอย่างมากเมื่อเราหันจากพินสัญญาณ (BGA) ไปยังแผ่นความร้อน ส่วนประกอบเช่น QFN (Quad Flat No-leads) และส่วนประกอบอื่น ๆ ที่มีปลายต่อในด้านล่าง (BTC) มีแผ่นกว้างที่เปิดเผยอย่างมากตรงกลางเพื่อระบายความร้อนเป็นหลัก ไม่ใช่ส่งสัญญาณไฟฟ้า เนื่องจากเป็นพื้นผิวกว้างและเรียบที่เชื่อมด้วยบัดกรีกับแผ่นกว้างและเรียบที่ตรงกันบน PCB การปล่อยก๊าซจึงไม่มีทางออก คิดซะเหมือนการกลิ้งแป้งพิซซ่าโดยไม่อุดอี Theในอากาศใด ๆ มันเกือบเป็นไปไม่ได้

ดังนั้น ขอบเขตของ IPC สำหรับแผ่นความร้อนเหล่านี้จึงสูงกว่ามาก โดยปกติอนุญาตให้มี void ถึง 50% วิศวกรมักตกใจเมื่อเห็นแผ่นความร้อน QFN ที่มีลักษณะเหมือนรังผึ้งและมักถูกปฏิเสธ แต่ถ้าแผ่นนั้นถูกบัดกรีด้วย 50% ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนมักเพียงพอสำหรับการรับรองของส่วนประกอบ ถึงแม้ว่าข้อมูลสเปคจากผู้ผลิตเช่น TI หรือ Analog Devices บางครั้งจะระบุขีดจำกัดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นสำหรับแอปพลิเคชัน RF พลังงานสูง แต่ 50% เป็นมาตรฐานสำหรับดิจิตอลแล็กกิ้งทั่วไป

ถ้าคุณยังคงเห็น void ขนาดใหญ่อย่างต่อเนื่องในแผ่นความร้อนเหล่านี้—เช่น 60% หรือมากกว่า—ปัญหาไม่ใช่โปรไฟล์ reflow แต่เกือบจะเป็นการออกแบบแม่พิมพ์ พอร์ตเปิด 1:1 (ช่วงช่องในแม่พิมพ์มีขนาดเท่ากับแผ่น) วาง paste มากเกินไป พักก๊าซในศูนย์ การแก้ไขคือไม่ปรับอุณหภูมิเตาอบ แต่เป็นการใช้แม่พิมพ์แบบ “หน้าต่างกระจก” การแบ่งแผ่นสแควร์ใหญ่ ๆ ออกเป็นแผ่นเล็ก ๆ พร้อมช่องทางปล่อยก๊าซ ทำให้ void ลดลงจาก 60% เป็น 15% ในช่วงหนึ่งคืน

ตำแหน่งเป็นตัวฆ่าที่แท้จริง

ในขณะที่ ขนาด ของ void ได้รับความสนใจทั้งหมด, แต่ ตำแหน่ง คือสิ่งที่ทำให้นักวิศวกรคุณภาพนอนไม่หลับ void ขนาดใหญ่อยู่ในศูนย์กลางของลูกบัดกรี ซึ่งดูเหมือนปลอดภัย แต่ก็ไม่ค่อยเป็นภัยต่อความน่าเชื่อถือ เนื่องจากมันล้อมรอบด้วยโลหะที่แข็งแรง void อันตรายคือ void ที่แตะกับบริเวณเชื่อมต่อ—เส้นขอบระหว่างการบัดกรีและเบ้าหรือแผ่น PCB

เราเรียกสิ่งเหล่านี้ว่า “ช่องว่างแชมเปญ” เพราะพวกมันรวบรวมกันที่บริเวณจุดเชื่อมต่อเหมือนฟองในแก้ว แม้ว่าส่วนนี้จะคิดเป็นเพียง 5% ของพื้นที่ก็ตาม แต่ก็สามารถสร้างความหายนะได้เช่นกัน มันสร้างจุดความเข้มข้นของความเครียดตรงที่เกิดสารประกอบโลหะผสม (IMC) ภายใต้แรงกระแทกจากการตกหรือแรงสั่นสะเทือน รอยร้าวอาจเริ่มขึ้นตรงจุดนั้นและแพร่กระจาย across แผ่นครอบคลุม จนเชื่อมต่อกันขาดสะบั้น ช่องว่างเหล่านี้ที่บริเวณจุดเชื่อมต่อเป็นสิ่งที่แย่กว่าช่องว่างภายในเนื้อวัตถุ (bulk voids) ถึง infinity นี่คือเหตุผลที่ตัวเลขการผ่าน/ไม่ผ่านอัตโนมัติอาจทำให้เข้าใจผิด เครื่องอาจผ่านบอร์ดที่มีช่องว่าง 5% ที่มนุษย์จะปฏิเสธเพราะช่องว่างดังกล่าวอยู่บนพื้นผิวของแผ่นครอบคลุม

นี่เป็นอีกจุดที่มักเกิดความสับสนเกี่ยวกับข้อบกพร่อง “หัวในลูกหมอน” (HiP) คุณอาจเห็นรูปร่างที่ดูเหมือนช่องว่างหรือวงกลมคู่แปลก ๆ ในรังสีเอกซ์ แต่ HiP ไม่ใช่ช่องว่างเลย เป็นวงจรเปิดที่ลูกบอลมีการเสียรูปแต่ยังไม่หลอมรวมกับสารเติมแต่ง—ดูเหมือนหิมะหรือศีรษะนอนอยู่บนหมอน อย่าปะปนคำศัพท์; หากคุณมี HiP ก็หมายถึงการเปิดวงจร ไม่ใช่ปัญหาช่องว่าง

กับดักผลบวกเท็จ

เครื่องเอกซเรย์รุ่นใหม่เยี่ยมยอดแต่ก็ไม่สมบูรณ์แบบ มันมีปัญหาเกี่ยวกับเสียงรบกวนในพื้นหลัง หากมีช่องว่าง (รูเจาะที่เป็นชุบ) อยู่ใต้แผ่น BGA เอกซเรย์จะมองเห็นอากาศภายในท่อและแจ้งเตือนเป็นช่องว่างในลูกบาเชื่อม นี่เป็นผลบวกเท็จแบบคลาสสิกที่ซอฟต์แวร์มองเห็นความเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นและตะโกนว่า “ความผิดปกติ!”

เราตรวจสอบภาพเหล่านี้ที่ถูกปฏิเสธในแต่ละวัน ในหลายกรณี สิ่งที่เครื่องแจ้งว่ามีช่องว่าง 30% จริง ๆ แล้วเป็นลูกบาเชื่อมที่สมบูรณ์ดีวางอยู่บนจุดเจาะที่ปิดสนิท เราต้องตรวจสอบตำแหน่งของช่องว่างในไฟล์แบบเพื่อยืนยัน ถ้าเราเชื่อคำตัดสินของเครื่องโดยไม่สงสัย เราจะต้องทำการเก็บหรือซ่อมแซมฮาร์ดแวร์ที่สมบูรณ์ดี

ความน่าเชื่อถือเหนือความสมบูรณ์แบบ

เป้าหมายของการตรวจสอบคือความน่าเชื่อถือ ไม่ใช่ความสมบูรณ์แบบทางเรขาคณิต โดยยึดตามขีดจำกัดของ IPC Class 2 และ 3—25% สำหรับลูกบาเชื่อมสัญญาณ, 50% สำหรับแผ่นเทอร์มอล—และให้ความสนใจเป็นพิเศษกับช่องว่างบริเวณจุดเชื่อมต่อที่เป็นอันตรายมากกว่าช่องว่างภายในที่ไม่เป็นอันตราย เพื่อปกป้องผลิตภัณฑ์โดยไม่ทำลายอัตราผลผลิต เรายอมรับว่าสารประกอบเชื่อมเป็นวัตถุอินทรีย์ที่เคลื่อนที่ได้และปล่อยก๊าซออกมา ตราบใดที่ตัวเลขและฟิสิกส์ตรงกัน แผ่นจะพร้อมส่ง