X光空洞分析：符合IPC等級的標準

製造的羅夏克測試

當你第一次看到球網陣列（BGA）的灰階X光影像時，你的直覺通常是警惕。你會看到一個黑暗的圈（焊球）佈滿較亮的不規則斑點。它看起來像疾病、海綿，或者——對於未經培訓的人——一個需要清除的缺陷。

然而，在檢查室裡，我們不是檢查美觀，而是檢查物理性。那些較亮的不規則斑點是空洞——在重新流動過程中被困的氣體袋。當然，它們很醜。但在絕大多數情況下，它們在結構上是良性的。

現代電子製造中的挑戰不在於實現“完美”的無空洞焊點，這是一個高昂而且常有破壞性的追求。挑戰在於區分將在現場存活十年的表面空洞與在熱應力下可能裂開的結構空洞。為了做到這點，我們必須忽略對“醜陋”圖像的直覺反應，而完全依賴IPC-A-610中定義的面積比率。

25% 規則

電子組裝可接受性行業標準IPC-A-610在空洞方面相當寬容。無論是構建第2類產品（筆記型電腦、工業控制）還是第3類產品（生命支持、航空航天），BGA空洞的標準通常是相同的。根據IPC-A-610及其配套標準J-STD-001，只要焊球的累計空洞面積不超過總球面積的25%，即為可接受。

這個數字通常會讓人震驚。在螢幕上，25%的空洞看起來像是剝失了四分之一的連接，但物理上卻是另一個故事。焊膏，尤其是標準的SAC305無鉛合金，含有在回流過程中必須釋放的助焊劑揮發物。如果液相時間短，或元件較重，就會有部分氣體被困住。這是自然的。剩餘的75%焊料體積已足夠傳導電流並承受機械震動。

事實上，內部研究和行業可靠性數據顯示，具有15–20%空洞的BGA球通常能承受與1%空洞的球相同次數的熱循環。

一種運動，經常由高端利基製造商推動，表明 任何 void是一種失敗。在候選真空回流爐的論證中，你可能會聽到這樣的說法，它們在焊接過程中將氣氛抽出來使氣泡崩潰。如果你在為深空衛星建造，修復不可能，真空回流是一個有效但昂貴的需求。對於其他99%的電子產品，追求零空洞是浪費金錢和熱能預算。讓電路板經歷多次返工熱循環來修復一個合規的15%空洞，造成的損傷比空洞本身更嚴重。

接受的幾何學

檢查是一個幾何計算，而不是氣氛的感覺確認。當自動X光檢查（AXI）機器或人類操作員檢查BGA時，任務是計算空洞相對於球子投影面積的預估值。這是一個簡單的比例： (空洞面積總和) / (球子總面積)。如果球子直徑為20密耳，我們測量的是光點的像素數與暗色圓的像素數。

然而，空洞很少是完美的圓形。它們常常像“瑞士奶酪”——微小氣泡的群聚合併和分離。計算這些不規則形狀的確切面積即使對於先進的算法也是一種估算。機器會在空洞簇周圍畫出一個周界並進行合計。

當結果恰好在限制範圍內——比如，24%或26%——人的判斷變得至關重要。我們必須觀察圖像的清晰度。那是一個單一的大空洞，還是一簇小空洞？標準允許累計計算，意味著許多微小氣泡與一個大氣泡的計數相同，只要它們不違反其他有關位置的規則。

熱墊例外（QFN/BTC）

當我們從信號腳（BGA）轉向熱墊時，標準會發生巨大變化。像QFN（四方扁平無引腳）和其他底部終端元件（BTC）具有一個在中心的大露出墊，主要用於散熱，而非電信號。由於它是一個大而平坦的表面，焊接到PCB上的配套大而平坦的墊子，氣體無處逸出。就像將披薩麵糰擀平而不困住空氣泡一樣；幾乎不可能做到。

因此，IPC對這些熱墊的限制顯著提高，通常允許最多50%的空洞。工程師在看到像蜂巢的QFN熱墊時經常驚慌，將其標記為不良品。但如果該墊焊料為50%，其熱傳遞效率通常足以滿足元件的額定值。儘管如TI或Analog Devices等廠商的數據手冊中，某些高功率射頻應用可能規定更嚴格的限制，但50%是一般數位邏輯的標準。

如果在這些熱墊中持續看到巨大的空洞——比如，60%或更高——問題很少是回流輪廓的問題。幾乎總是模板設計出問題。1:1孔徑開口（錶片中空的大小與墊子相同）會沉積過多的膏料，將揮發物困在中間。解決方案不是調整烤箱，而是使用“窗格”模板設計。將大方格分解成較小的窗格，並設有通道讓氣體排出，這樣空洞率從60%降至15%，通常在一夜之間即可改善。

位置才是真殺手

當 大小 空洞的部分引起了所有人的注意，但 位置 才是讓品質工程師夜不能寐的原因。一個漂浮在焊球中心，表面平靜的大“塊狀空洞”很少構成可靠性威脅，因為它被固體金屬包圍。危險的空洞是那些接觸界面——焊料與元件焊盤的邊界，或焊料與PCB焊盤的邊界的空洞。

我們將這些“香檳空洞”稱為，因為它們像玻璃杯中的氣泡一樣聚集在界面上。即使這些空洞只佔面積的5%，它們仍可能造成災難。它們在鍍層結晶體（IMC）形成的地方形成應力集中點。在跌落衝擊或振動下，裂縫可能在該空洞處啟動並沿墊片擴散，切斷連接。5%的界面空洞比起20%的體積空洞來得更糟。这就是為什麼自動合格/不合格數字可能會欺騙人；一台機器可能通過一塊具有5%空洞的電路板，而人工眼睛會拒絕，因為那個5%正好坐在墊片表面上。

這也是“頭枕頭內頭” (HiP) 缺陷常常令人困惑的地方。你可能會在X光影像中看到一個看起來像空洞或奇怪雙圈的形狀，但HiP根本不是空洞。它是開路狀態，球體變形但未與膏料融合，看起來像個雪人或枕頭上的頭。與空洞（過程指標）不同，HiP是一個功能失效。不要被術語迷惑；如果你有HiP，你就是一個開路，而不是空洞問題。

假陽性陷阱

現代X光機器非常令人驚嘆，但並非全知全能。它們在背景噪音方面有困難。如果一個穿孔孔（鍍層孔）位於BGA墊片正下方，X光會看到孔筒內的空氣並將其標記為焊球中的空洞，這是一個經典的假陽性情況，軟件察覺到密度變化就會大叫“缺陷！”

我們每天都在審查這些被拒絕的“骨堆”影像。在許多情況下，機器標記為的30%空洞實際上是一個完美焊接並位於帳篷式孔正上的焊球。我們必須在設計文件中驗證孔的位置來確認。如果我們盲目接受機器的判斷，我們將會廢棄或返工完好的硬件。

可靠性勝過完美

檢查的目標是可靠性，而非幾何完美。通過遵守IPC Class 2和3的限制——信號球25%，熱墊50%——並專注於危險的界面空洞而非良性的體積空洞，我們在不破壞產率的情況下保護產品。我們接受焊料是一種具有動態特性的有機材料，會釋放氣體和移動。只要數據和物理條件一致，電路板就能出貨。