เหตุใดการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์จึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับโมดูลกำลังในอุตสาหกรรม
ในสายการผลิต SMT สำหรับประกอบโมดูลพลังงานอุตสาหกรรม ข้อบกพร่องที่อันตรายที่สุดคือข้อบกพร่องที่มองไม่เห็น ข้อต่อบัดกรีแบบ BGA และ QFN ถูกซ่อนอยู่ใต้ตัวแพ็กเกจ ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยสิ้นเชิงเอโอไอหรือการตรวจสอบด้วยสายตาด้วยตนเอง วิธีเดียวที่จะมองเข้าไปภายในลูกบอลบัดกรีนั้นคือการถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์
สำหรับโมดูลกำลังอุตสาหกรรม ผลกระทบจากการเกิดโพรงในแนวประสานจะรุนแรงกว่าที่พบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค โพรงคือช่องว่างของอากาศภายในเส้นทางการนำความร้อนของรอยบัดกรี และอากาศมีค่าการนำความร้อนเพียงประมาณหนึ่งในพันของโลหะผสมบัดกรี เมื่อพื้นที่โพรงของลูกบัดกรีเพียงลูกเดียวเกิน 25% ของพื้นที่ฉายบนระนาบของมัน ความต้านทานความร้อนของรอยต่อดังกล่าวมักจะเพิ่มขึ้นประมาณ 40–60% ภายใต้สภาวะการทำงานโหลดเต็ม การเพิ่มขึ้นนี้อาจทำให้อุณหภูมิจังชัน (Tj) ของอุปกรณ์กำลังสูงเกินค่าที่กำหนด นำไปสู่ภาวะหลุดการควบคุมทางความร้อน (thermal runaway) หรือการเสื่อมสภาพระยะยาวที่เร่งตัวขึ้น โมดูลเหล่านี้มักทำงานต่อเนื่อง ภายในโครงหุ้มที่ปิดทึบและมีการระบายอากาศแบบบังคับจำกัดหรือไม่มีเลย — และเมื่อความล้มเหลวแสดงอาการให้เห็น อุปกรณ์ก็มักจะใช้งานอยู่ในภาคสนามแล้ว
นั่นเป็นเหตุผลที่การตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์ถูกจัดให้เป็นขั้นตอนบังคับก่อนการจัดส่ง ไม่ใช่ตัวเลือกเสริม สำหรับหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์นี้
เกณฑ์การยอมรับโพรงอากาศตามมาตรฐาน IPC-7095D
IPC-7095D เป็นมาตรฐานที่ได้รับการยอมรับในอุตสาหกรรมสำหรับการประเมินและการยอมรับโพรงภายในรอยประสานแบบ BGA ตัวชี้วัดหลักคือพื้นที่โพรงของลูกประสานเดี่ยวหนึ่งลูก ซึ่งแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของพื้นที่ฉายภาพของลูกประสานลูกนั้น
โดยทั่วไปมีการอ้างอิงระดับการยอมรับอยู่สองระดับ Class 2 อนุญาตให้มีพื้นที่โพรงได้สูงสุด 25% ต่อบอลประสานหนึ่งลูก และมักใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและระบบควบคุมอุตสาหกรรมทั่วไป ส่วน Class 3 จะจำกัดให้มีพื้นที่โพรงน้อยกว่า 10% ต่อบอลประสานหนึ่งลูก และใช้เฉพาะกับงานอุตสาหกรรมที่มีภาระการทำงานต่อเนื่องสูงและกรณีการใช้งานที่ต้องการความเชื่อถือได้สูงอื่น ๆ
การเลือกใช้ระหว่างคลาส 2 และคลาส 3 ไม่ได้เป็นการตัดสินใจบนพื้นฐานของต้นทุนเพียงอย่างเดียว แต่ควรขับเคลื่อนโดยวิธีการที่ผลิตภัณฑ์ถูกใช้งานจริงในภาคสนาม โมดูลจ่ายไฟอุตสาหกรรมโดยทั่วไปมักมีลักษณะร่วมกันสามประการที่ผลักดันให้ต้องใช้คลาส 3:
การทำงานอย่างต่อเนื่องโมดูลยังคงได้รับพลังงานเป็นระยะเวลานาน ดังนั้นข้อต่อบัดกรีจึงอยู่ภายใต้ความเค้นจากวัฏจักรความร้อนอย่างต่อเนื่อง และโทษจากความต้านทานความร้อนที่เกิดจากช่องว่างใด ๆ จะทบเพิ่มขึ้นตามกาลเวลา แทนที่จะปรากฏให้เห็นเพียงครั้งเดียว
อุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้นโมดูลกำลังอุตสาหกรรมจำนวนมากทำงานภายในตู้ควบคุมหรือตู้ภายนอกอาคารที่มีอุณหภูมิโดยรอบสูงกว่า 50°C ซึ่งมีระยะเผื่อด้านความร้อนจำกัดอยู่แล้ว การเพิ่มขึ้นของความต้านทานความร้อนเฉพาะจุดที่เกิดจากช่องว่างภายในจะไปลดระยะเผื่อดังกล่าวลงโดยตรง
ไม่มีตัวเลือกในการแก้ไขฟิลด์ใหม่เมื่อโมดูลถูกติดตั้งใช้งานแล้ว — ตัวอย่างเช่น ภายในตู้ควบคุมสายการผลิตหรือภายในตู้จ่ายไฟของระบบขนส่งทางราง — การซ่อมแซมในระดับ BGA โดยทั่วไปแทบเป็นไปไม่ได้ จุดตรวจสอบคุณภาพที่แท้จริงเพียงจุดเดียวจึงอยู่ที่ขั้นตอนการตรวจสอบก่อนส่งมอบหน่วยผลิตภัณฑ์
ด้วยเหตุผลเหล่านี้ เมื่อเรารับคำสั่งซื้อโมดูลกำลังสำหรับอุตสาหกรรม เราจะตั้งค่าเริ่มต้นให้ใช้มาตรฐาน IPC-7095D Class 3 สำหรับการตรวจสอบฟองอากาศ (void) ของ BGA/QFN แทนที่จะใช้ Class 2 ซึ่งเป็นมาตรฐานที่ใช้กันแพร่หลายมากกว่า
การตั้งค่าพารามิเตอร์การตรวจสอบด้วยเอกซเรย์
ความแม่นยำในการตรวจจับขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าระบบเอ็กซเรย์เป็นอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแพ็คเกจที่มีลูกบอลบัดกรีซ้อนกันหรือทับซ้อนกัน
แรงดันและกระแสของหลอดสำหรับแพ็คเกจ BGA ขนาดกลางถึงขนาดใหญ่ที่พบได้ทั่วไปในโมดูลพลังงานอุตสาหกรรม (ระยะห่างระหว่างลูกบอล 0.5–0.8 มม.) ที่ติดตั้งบนแผ่นวงจรทองแดงหนา เรามักจะตั้งค่าแรงดันหลอดเอ็กซเรย์ให้อยู่ในช่วง 90–110kV หากตั้งต่ำเกินไป การทะลุผ่านจะไม่เพียงพอ ทำให้ได้ภาพที่ฟุ้งและมีคอนทราสต์ต่ำ หากตั้งสูงเกินไป คอนทราสต์จะลดลงในลักษณะที่อาจบดบังขอบของโพรงอากาศขนาดเล็กได้
การขยายภาพกับระยะโฟกัสการตรวจหาช่องว่างที่อยู่ก้ำกึ่งใกล้ค่าขีดจำกัดการยอมรับ จำเป็นต้องใช้การขยายภาพทางเรขาคณิตที่สูงขึ้น ซึ่งหมายถึงการลดระยะห่างระหว่างชิ้นงานกับแหล่งกำเนิดรังสี การใช้กำลังขยายสูงขึ้นย่อมแลกมาด้วยความลึกของระยะชัดที่ลดลง ดังนั้นจึงต้องจับคู่กับการถ่ายภาพในมุมเอียงเพื่อคงความน่าเชื่อถือไว้
การถ่ายภาพมุมเอียงเพื่อแยกข้อต่อที่ซ้อนกันในการประกอบแบบแพ็กเกจซ้อนแพ็กเกจ (PoP) หรือการประกอบสองด้าน ลูกบอลประสานที่อยู่ในตำแหน่งแกน X-Y เดียวกันบนคนละชั้นอาจซ้อนทับกันในภาพที่มองตรง ทำให้ไม่สามารถแยกแยะได้ เราจะเอียงแท่นตรวจมากกว่า 5° สำหรับการตรวจสอบลักษณะนี้ โดยใช้การเยื้องเชิงเรขาคณิตที่เกิดขึ้นเพื่อแยกลูกบอลประสานของชั้นบนและชั้นล่างออกจากกันในภาพ และหลีกเลี่ยงการอ่านค่าผิดพลาดว่าเป็นตำหนิทั้งที่ไม่มี หรือมองข้ามตำหนิที่มีอยู่จริง
กลไกการเกิดโพรงทั่วไปและสาเหตุรากของกระบวนการ
การถ่ายปัสสาวะไม่ได้เกิดขึ้นแบบสุ่ม เกือบทุกครั้งสามารถสืบย้อนกลับไปยังหนึ่งในสามสาเหตุรากฐานของกระบวนการที่ระบุได้
ประการแรกคือการระเหยของสารระเหยในครีมประสานที่ไม่สมบูรณ์ หากอัตราการไต่ระดับอุณหภูมิของโปรไฟล์รีโฟว์ชันสูงชันเกินไป — มากกว่าประมาณ 2°C ต่อวินาที — ตัวทำละลายในฟลักซ์ที่อยู่ในครีมประสานจะมีเวลาไม่เพียงพอในการระเหยออกในช่วงพรีฮีต ก่อนที่ครีมประสานจะเข้าสู่ช่วงรีโฟว์ และมันจะถูกกักอยู่ภายในเนื้อประสานหลอมเหลวขณะที่ประสานเริ่มละลาย
ประการที่สองคือการระเหยของคราบฟลักซ์ออกมาทางโครงสร้างแผ่นรองที่ออกแบบมาไม่ดีรูผ่านแผ่น_padเลย์เอาต์ที่ไม่ได้อุดด้วยเรซินหรือปิดด้วยการชุบโลหะ จะทำให้อากาศที่ถูกกักหรือไอระเหยของฟลักซ์ภายในเวียขยายตัวภายใต้ความร้อนของกระบวนการรีโฟลว์และระบายออกขึ้นไปผ่านลูกบอลประสาน ทำให้เกิดโพรงอากาศที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งเกี่ยวข้องกับเวีย
ประการที่สามคือการเกิดออกซิเดชันบนผิวเคลือบของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)เอนิกการชุบผิวแบบ (electroless nickel immersion gold) มีความเสี่ยงที่ทราบกันดีเรื่อง “black pad” ซึ่งเกิดจากการเกิดออกซิเดชันของชั้นนิกเกิลที่ทำให้ความสามารถในการเปียกของบัดกรีต่อชั้นนิกเกิลด้านล่างอ่อนลง การเปียกที่ไม่สม่ำเสมอนั้นทำให้เกิดการหดตัวไม่เท่ากันระหว่างการเย็นตัวและก่อให้เกิดโพรงขนาดจุลภาค
ปิดวงจรให้สมบูรณ์: กรณีการปรับเวลาอุ่นเครื่อง
ระหว่างการผลิตโมดูลกำลังอุตสาหกรรมแบบต่อเนื่อง การสุ่มตรวจด้วยเอกซเรย์พบว่าอัตราฟองอากาศใน BGA โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 18% ซึ่งสูงกว่าค่าขีดจำกัดไม่เกิน 10% ที่กำหนดสำหรับคลาส 3 อย่างมาก
เมื่อนำภาพเอกซเรย์มาเปรียบเทียบกับโปรไฟล์อุณหภูมิที่บันทึกจากเตารีโฟลว์ พบว่าสาเหตุรากเหง้าเกิดจากเวลาแช่ในโซนพรีฮีตไม่เพียงพอ — สายการผลิตตั้งค่าเวลาพรีฮีตไว้ที่ 60 วินาที ซึ่งไม่เพียงพอให้ฟลักซ์มีเวลาระบายแก๊สออกได้อย่างเต็มที่ก่อนเข้าสู่โซนรีโฟลว์ เราจึงเพิ่มเวลาโซนพรีฮีตของเตารีโฟลว์รุ่น JTR-1200D-N จาก 60 วินาทีเป็น 90 วินาที และลดอัตราการไต่ระดับอุณหภูมิจาก 2.2°C/วินาที เป็น 1.5°C/วินาที เพื่อให้สารระเหยมีเวลาในการระบายออกมากขึ้น
ตลอดสามล็อตการผลิตถัดมา ค่าเฉลี่ยอัตราช่องว่างของ BGA ลดลงจาก 18% เหลือ 7% และอัตราช่องว่างสูงสุดของลูกบอลเดี่ยวลดลงจาก 31% เหลือ 9.5% ซึ่งอยู่ในข้อกำหนด Class 3 อย่างสบาย ๆ พร้อมส่วนเผื่อความปลอดภัย การวิเคราะห์หาสาเหตุรากเหง้าในลักษณะนี้ไม่ได้พึ่งพาเพียงแค่ความสามารถด้านการถ่ายภาพของระบบเอกซเรย์เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับ MES ที่เชื่อมโยงบันทึกอุณหภูมิของเตาอบรีโฟลว์แต่ละเครื่องเข้ากับข้อมูลการตรวจสอบที่เกี่ยวข้อง เพื่อให้สามารถสืบย้อนข้อบกพร่องไปยังพารามิเตอร์กระบวนการเฉพาะ แทนที่จะโทษเพียงประสบการณ์โดยรวม
การตรวจเช็กความเสี่ยงจากความว่างเปล่าด้วยตนเอง 5 ขั้นตอน
สำหรับวิศวกรที่กำลังประเมินซัพพลายเออร์ EMS หรือกำลังตรวจสอบไลน์การผลิตของตนเอง การตรวจสอบอย่างรวดเร็วเพียงไม่กี่ข้อสามารถช่วยให้พบความเสี่ยงของโพรงฟองอากาศได้ตั้งแต่เนิ่นๆ
ยืนยันประเภทของพัสดุเป็น BGA, QFN หรือ PoP และเลย์เอาต์มี via-in-pad ด้วยหรือไม่?
ตรวจสอบแบบวาดแผ่นรองโครงสร้าง via-in-pad ใดถูกอุดด้วยเรซินและชุบปิดสนิทหรือไม่?
ตรวจสอบโปรไฟล์การรีโฟลว์เวลาแช่ในช่วงอุ่นล่วงหน้าอย่างน้อย 60 วินาทีหรือไม่ และอัตราการเพิ่มอุณหภูมิไม่เกิน 2°C ต่อวินาทีหรือไม่?
ยืนยันการเคลือบผิวความหนาของการชุบ ENIG และความเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชันของนิกเกิลอยู่ในช่วงที่ควบคุมได้หรือไม่?
ขอข้อมูลอัตราค่าว่างจริงขอรายงานการตรวจสอบโพรงด้วยเอ็กซเรย์จริงจากผู้จัดหาสินค้า แทนคำยืนยันทั่วไปที่ระบุเพียงว่าแผงวงจร "ผ่านการตรวจ AOI"
การจัดการการบำบัด via-in-pad และการกำหนดขนาดแผ่นรองระหว่างDFMการทบทวนแทบจะเป็นวิธีที่คุ้มค่ากว่าเกือบทุกครั้ง — และมีแนวโน้มที่จะขจัดสาเหตุรากได้มากกว่า — เมื่อเทียบกับการพึ่งพา X-Ray เป็นตัวกรองภายหลังเมื่อผลิตภัณฑ์ถูกนำไปผลิตแล้ว
การควบคุมโพรงว่าง (void) ไม่ใช่สิ่งที่จะมาตรวจสอบเอาเฉพาะตอนท้ายไลน์ได้ แต่ต้องถูกออกแบบฝังอยู่ในโปรไฟล์การรีโฟลว์ การออกแบบแผ่นแพด และการควบคุมคุณภาพของวัตถุดิบขาเข้า โดยมีข้อมูลเอ็กซเรย์ป้อนกลับไปยังทั้งสามส่วน วินัยในระบบลูปปิดแบบนี้เองที่ทำให้เห็นความแตกต่างระหว่างซัพพลายเออร์ที่ทำได้แค่โชว์ภาพที่ผ่านเกณฑ์ กับซัพพลายเออร์ที่โชว์ให้เห็นกระบวนการที่มีเสถียรภาพได้ ที่ PCBCart เราดำเนินการตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์อัตโนมัติ (Automated X-Ray Inspection) กับทุกงานประกอบโมดูลพลังงานอุตสาหกรรม โดยเชื่อมโยงกลับผ่านระบบ Smart MES ของเราไปยังล็อตรีโฟลว์และการออกแบบแพดที่สร้างมันขึ้นมา ไม่ได้มองว่าเป็นเพียงการตรวจสอบผ่าน/ไม่ผ่านแบบโดดเดี่ยวที่ปลายไลน์เท่านั้น
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•เหตุใดเทคโนโลยีการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์จึงมีความสำคัญอย่างมากในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•มาตรการที่มีประสิทธิผลสำหรับการควบคุมคุณภาพของจุดบัดกรีแบบบอลกริดอาร์เรย์ (BGA)
•การเปรียบเทียบ AOI, ICT และ AXI และช่วงเวลาที่ควรใช้งานระหว่างการประกอบ PCB SMT
•ปัญหาลูกบอลบัดกรีของชิ้นส่วน BGA และวิธีหลีกเลี่ยง
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูง
