Perché l’ispezione a raggi X è imprescindibile per i moduli di potenza industriali
Su una linea SMT che realizza moduli di potenza industriali, i difetti più pericolosi sono quelli che non si possono vedere. I giunti di saldatura BGA e QFN sono nascosti sotto il corpo del package, completamente inaccessibili perAOIo un'ispezione visiva manuale. L'unico modo per guardare all'interno di quella sfera di saldatura è l'imaging a trasmissione a raggi X.
Per i moduli di potenza industriali, le conseguenze dei vuoti sono più gravi rispetto all’elettronica di consumo. Un vuoto è essenzialmente un’intercapedine d’aria all’interno del percorso termico del giunto di saldatura, e l’aria conduce il calore a una velocità pari a circa un millesimo rispetto alla lega di saldatura. Quando l’area del vuoto di una singola sfera di saldatura supera il 25% della sua impronta proiettata, la resistenza termica di quel giunto in genere aumenta del 40–60%. In condizioni di funzionamento a pieno carico, tale incremento può spingere la temperatura di giunzione (Tj) del dispositivo di potenza oltre il suo limite nominale, innescando una fuga termica o un’accelerata degradazione a lungo termine. Questi moduli di solito funzionano in modo continuo, in involucri chiusi con raffreddamento ad aria forzata limitato o assente — e quando il guasto si manifesta, il modulo è già in campo.
Ecco perchéIspezione a raggi Xè considerato una fase obbligatoria prima della spedizione, non un componente aggiuntivo facoltativo, per questa categoria di prodotti.
Criteri di accettazione delle cavità IPC-7095D
IPC-7095D è lo standard riconosciuto dall’industria per la valutazione e l’accettazione delle porosità (voiding) nei giunti di saldatura BGA. Il parametro fondamentale è l’area della cavità in una singola sfera di saldatura espressa come percentuale dell’area proiettata di quella sfera.
Si fa comunemente riferimento a due livelli di accettazione. La Classe 2 consente fino al 25% di area di vuoto per ogni sfera di saldatura ed è tipicamente applicata all’elettronica di consumo e ai sistemi di controllo industriali generali. La Classe 3 restringe questo limite a meno del 10% di area di vuoto per sfera ed è riservata alle applicazioni industriali a carico continuo elevato e ad altri casi d’uso ad alta affidabilità.
La scelta tra Classe 2 e Classe 3 non è una decisione puramente legata ai costi: dovrebbe essere guidata dal modo in cui il prodotto viene effettivamente utilizzato sul campo. I moduli di alimentazione industriali in genere condividono tre caratteristiche che spingono il requisito verso la Classe 3:
Funzionamento continuo.Il modulo rimane alimentato per periodi prolungati, quindi le giunzioni di saldatura sono sottoposte a uno stress termico ciclico continuo e qualsiasi penalizzazione della resistenza termica dovuta a vuoti si accumula nel tempo invece di manifestarsi una sola volta.
Temperatura ambiente elevata.Molti moduli di potenza industriali operano all’interno di quadri di controllo o in contenitori esterni con una temperatura ambiente superiore a 50°C, dove il margine termico è già ridotto. Un aumento della resistenza termica locale dovuto alle cavità incide direttamente su tale margine.
Nessuna opzione di rielaborazione del campo.Una volta che un modulo è stato installato — ad esempio all’interno di un quadro di controllo di una linea di produzione o di un armadio di alimentazione per il trasporto ferroviario — la rilavorazione a livello BGA di norma non è fattibile. L’unico vero punto di controllo della qualità è l’ispezione prima della spedizione dell’unità.
Per questi motivi, quando accettiamo ordini di moduli di potenza industriali, utilizziamo di default la classe 3 della norma IPC-7095D per l’ispezione delle cavità nei BGA/QFN, invece della più comunemente utilizzata classe 2.
Impostazione dei parametri di ispezione a raggi X
L'accuratezza del rilevamento dipende fortemente da come è configurato il sistema a raggi X, in particolare per i pacchetti con sfere di saldatura impilate o sovrapposte.
Tensione e corrente del tubo.Per i package BGA di media e grande dimensione comuni nei moduli di potenza industriali (passo delle sfere 0,5–0,8 mm) montati su substrati in rame spesso, in genere impostiamo la tensione del tubo nell’intervallo 90–110 kV. Se è troppo bassa, la penetrazione è insufficiente, producendo un’immagine sbiadita e a basso contrasto. Se è troppo alta, il contrasto diminuisce in modo tale da poter mascherare i bordi dei vuoti più piccoli.
Ingrandimento rispetto alla distanza focale.Rilevare le cavità al limite – quelle che si trovano vicino alla soglia di accettazione – richiede un ingrandimento geometrico più elevato, il che significa ridurre la distanza tra il campione e la sorgente di radiazioni. Un ingrandimento maggiore comporta una ridotta profondità di campo, quindi deve essere abbinato a un’acquisizione di immagini con angolazione obliqua per rimanere affidabile.
Imaging ad angolo obliquo per separare le giunzioni sovrapposte.Nelle costruzioni package-on-package (PoP) o nelle assemblaggi a doppia faccia, le sfere di saldatura nella stessa posizione X-Y su strati diversi possono sovrapporsi in un’immagine frontale, rendendole impossibili da distinguere. Per queste ispezioni incliniamo il piano di oltre 5°, utilizzando lo scostamento geometrico risultante per separare nell’immagine le sfere di saldatura dello strato superiore da quelle dello strato inferiore ed evitare di interpretare erroneamente come difetto qualcosa che non lo è — o di non rilevare un difetto reale.
Meccanismi Comuni di Formazione dei Vuoti e Cause Radice di Processo
Lo scarto non è casuale. Quasi sempre può essere ricondotto a una delle tre cause radice di processo identificabili.
La prima è la degassificazione incompleta dei volatili della pasta saldante. Se la velocità di salita del profilo di rifusione è troppo ripida — sopra circa 2 °C al secondo — il solvente del flussante nella pasta non ha abbastanza tempo per evaporare durante il preriscaldo prima che la pasta entri in rifusione, e rimane intrappolato all’interno della lega saldante fusa mentre questa si liquefa.
La seconda è l’emissione di gas dai residui di flussante attraverso una struttura del pad progettata male.Via-in-padI layout che non sono sigillati con resina o placcatura permettono all’aria intrappolata o ai vapori di flussante all’interno del via di espandersi durante il processo di rifusione e di fuoriuscire verso l’alto attraverso la sfera di saldatura, producendo una caratteristica cavità correlata al via.
La terza è l’ossidazione sul rivestimento superficiale del PCB.ENIGLe finiture (electroless nickel immersion gold) comportano un noto rischio di “black pad”, in cui l’ossidazione dello strato di nichel indebolisce la bagnabilità della saldatura sul nichel sottostante. Questa bagnabilità non uniforme porta a un ritiro non uniforme durante il raffreddamento e produce vuoti microscopici.
Chiusura del cerchio: un caso di regolazione del tempo di preriscaldamento
Durante una produzione in serie di un modulo di potenza industriale, il campionamento a raggi X ha evidenziato un tasso medio di vuoti nel BGA del 18%, ben al di sopra della soglia inferiore al 10% richiesta per la Classe 3.
Il confronto delle immagini ai raggi X con il profilo di temperatura registrato del forno di rifusione ha indicato un tempo di permanenza insufficiente nella fase di preriscaldo come causa principale: la linea stava eseguendo un preriscaldo di 60 secondi, che non dava al flussante tempo sufficiente per degassare completamente prima di entrare nella zona di rifusione. Abbiamo esteso il tempo di preriscaldo del forno di rifusione JTR-1200D-N da 60 a 90 secondi e ridotto la velocità di salita da 2,2 °C/secondo a 1,5 °C/secondo, dando ai volatili più tempo per fuoriuscire.
In tre lotti di produzione successivi, il tasso medio di vuoti nei BGA è sceso dal 18% al 7% e il tasso massimo di vuoti su una singola sfera è diminuito dal 31% al 9,5% — comodamente all’interno dei requisiti della Classe 3, con margine di sicurezza. Questo tipo di analisi delle cause radice dipende non solo dalle capacità di imaging del sistema a raggi X in sé, ma anche da un MES che colleghi il registro delle temperature di ciascun forno di rifusione ai relativi dati di ispezione, in modo che un difetto possa essere ricondotto a uno specifico parametro di processo invece di essere attribuito in modo generico all’esperienza.
Autoverifica del rischio di vuoto in 5 passaggi
Per gli ingegneri che stanno valutando un fornitore EMS — o riesaminando la propria linea — alcuni rapidi controlli possono far emergere precocemente il rischio di vuoti:
Conferma il tipo di pacchetto.È BGA, QFN o PoP e il layout include via-in-pad?
Controlla il disegno del pad.Esiste qualche struttura via-in-pad con foro riempito di resina e placcato a chiusura?
Esaminare il profilo di rifusione.Il tempo di permanenza nel preriscaldamento è di almeno 60 secondi e la velocità di incremento della temperatura non supera i 2°C al secondo?
Confermare la finitura superficiale.Lo spessore della placcatura ENIG e il rischio di ossidazione del nichel rientrano in un intervallo controllato?
Richiedi i dati effettivi sul tasso di annullamento.Richiedi il vero rapporto di ispezione ai raggi X sulle cavità dal fornitore, invece di una dichiarazione generica secondo cui la scheda ha "superato l'AOI".
Affrontare il trattamento dei via-in-pad e il dimensionamento dei pad duranteDFMla revisione è quasi sempre più conveniente in termini di costi — e più propensa a eliminare la causa principale — rispetto al fare affidamento ai raggi X come filtro a posteriori, quando il prodotto è già in produzione.
Il controllo delle cavità non è qualcosa che si possa verificare solo alla fine della linea: deve essere integrato nel profilo di rifusione, nel design dei pad e nei controlli del materiale in ingresso, con i dati a raggi X che alimentano tutti e tre. Questa disciplina ad anello chiuso è ciò che distingue un fornitore che può mostrarti un’immagine conforme da uno che può mostrarti un processo stabile. In PCBCart, è così che eseguiamo l’Ispezione Automatizzata a Raggi X su ogni modulo di potenza industriale prodotto: collegandola, tramite il nostro Smart MES, al lotto di rifusione e al design dei pad che lo hanno generato, e non trattandola come un semplice controllo isolato di superato/non superato alla fine della linea.
Risorse utili
•Perché la tecnologia di ispezione a raggi X è così importante nell’assemblaggio PCB
•Misure efficaci per il controllo della qualità delle giunzioni di saldatura a Ball Grid Array (BGA)
•Confronto tra AOI, ICT e AXI e quando utilizzarli durante l’assemblaggio SMT dei PCB
•Problemi delle sferette di saldatura dei componenti BGA e come evitarli
•Servizi avanzati di assemblaggio PCB
