لماذا يختفي لحامك باستمرار داخل الفتحة؟

لماذا يختفي لحامك باستمرار داخل الفتحة؟

الثغرة غير المتصلة مباشرةً داخل الوصلة المدمجة في اللوحة

الوحدة أشعة إكس الصورة أوضحت القصة بأكملها، ومع ذلك لم يُقصد من أحد مراجعتها. لوحة مستهلك — وحدة سميكة طُورت حول رقاقة ذات ترتيب دبابيس بمسافة ٠٫٥ مم — عادت فعليًّا من  reflow  بمعدل فشل أولي نسبته ٩٪. المفاصل المعطوبة لم تكن مفقودة. بل كانت رقيقة جدًّا. وأظهر التصوير بالأشعة السينية مفاصل لحام تبدو كأنها خضعت لنظام غذائي: ممتلئة جزئيًّا، ناقصة اللحام، وبعضها كان على حافة الانقطاع الواضح.

قمنا باختبار الأسباب الشائعة. وكانت القالب مُحدَّدًا بدقة — لا مشكلة. معجون اللحام  الحجم كان ضمن المواصفات — لا مشكلة. وملف إعادة التسخين تطابق مع التوصيات الصادرة عن شركة إنتاج عجينة اللحام — لا مشكلة.

ثم قام مهندس بقلب اللوحة ولاحظ شيئًا على الجانب السفلي. وبالضبط أسفل منطقة الرقاقة متعددة الاتصالات (بي جي إيه)، كانت الثغرات مليئة باللحام. وليس قليلًا منها. بل كانت ممتلئة تمامًا، كأنها قشّ صغيرة معدنية.

كان النمط قد وضع ثغرات مباشرة داخل الوصلات — طريقة التوصيل عبر الفتحة في اللوحة (via-in-pad)، التي تُمكّن من توجيه حزم المصفوفات الكروية الكثيفة (BGA) بكفاءة — ولم يُعرَّف أحدٌ فعليًّا مفهوم التوصيل عبر التوصيل بالفتحة (plugging). أثناء عملية الانصهار، تتصرف اللحمة المنصهرة كما تتصرف عادةً عند وجود فتحة مفتوحة: فهي تنسكب داخلها. وقد استُنزفت الوصلات السابقة بسبب هذه الظاهرة.

فيزياء الفتحة التي تمتص اللحمة

إليك الآلية، مبسَّطة إلى أبسط أشكالها. عندما تنصهر معجون اللحمة في فرن الانصهار، تتحول إلى سائل. ويرطب السائل اللحام النحاس — وهذه هي الحقيقة التي تجعل عملية اللحام ممكنة أصلاً. أما الفتحة المفتوحة في منتصف اللوحة فهي أنبوبٌ مبطَّن بالنحاس يمتد عموديًّا نحو أسفل داخل اللوحة. ولا حاجة لدفع اللحمة المنصهرة. فالظاهرة الشعرية (capillary action) تسحبها تلقائيًّا داخل جسم الفتحة، تمامًا كما تصعد المياه في منشفة ورقية.

كمية القصدير التي يمكن أن تمتصها الفتحة المثقوبة ليست غير مهمة. فكّر في ترتيب شائع: ثقب قطره ٠٫٢٥ مم ضمن وصلة BGA ذات المسافة بين الملامسات ٠٫٤ مم. إن حجم الثقب ذي القطر ٠٫٢٥ مم على لوحة إلكترونية بسمك ١٫٦ مم يبلغ تقريبًا ٠٫٠٨ ملم³. أما الشبكة القياسية المستخدمة مع هذه الوصلة فتُرسب كمية من المعجون تتراوح بين ٠٫١ و٠٫١٥ ملم³، ومع ذلك فإن المعجون لا يحتوي سوى على نحو نصف حجمه من المعدن بعد عملية الاحتراق. وبعبارة أخرى، يمكن لفتحة مفتوحة واحدة أن تمتص معظم قصدير اللحمة المخصصة لتوصيل تلك النقطة.

هذه هي الحسابات التي تكمن وراء المشكلة. فهي ليست نتيجة ضعيفة. ولا تتعلق بـ«حدوث لحمة أضعف قليلًا في بعض الأحيان». بل إن وجود فتحة مفتوحة داخل وصلة BGA قد يمتص كل كمية القصدير المخصصة لتلك النقطة بالكامل، مما يؤدي إلى لحمة إما مقطوعة تمامًا أو شديدة النقص لدرجة أنها تفشل خلال أشهر قليلة تحت ظروف التغيرات الحرارية المتكررة.

لماذا ينتهي المهندسون عند هذه النتيجة

لا يرسم أحد عن قصد ثقبًا مفتوحًا داخل وصلة لوح الدوائر المطبوعة. وتُطبَّق استراتيجية الثقوب داخل الوصلات لأنها الطريقة الوحيدة لتوصيل أطراف رقاقات «بي جي إيه» ذات التباعد الضيق جدًّا. فعندما يكون التباعد أقل من ٠٫٥ مم تقريبًا، لا يتبقى أي مسافة بين الوصلات لتوصيلها بطريقة «العَظْم الكلبي» — وهي الطريقة المعتادة التي تُوصَل بها وصلة قصيرة من الوصلة إلى ثقبٍ موضوعٍ جانبيًّا. وبالتالي، يجب أن تحتوي الوصلة نفسها على الثقب، وإلا تعذَّر تنفيذ التصميم كليًّا.

وبالتالي، فإن هذه الطريقة مشروعةٌ وبالغة الأهمية. أما ما يُربك المصممين فهو الشرط الواجب توافره: فالثقب داخل الوصلة مقبولٌ فقط إذا جُهِّز وفق الإجراءات الصحيحة. ويجب أن تشير بيانات التصميم إلى «مرور عبر اللوح». كما يجب أن ينص أمر التصنيع على «ملء هذا الثقب وسدّه»؛ فإذا لم يُذكر ذلك صراحةً، سيُنفَّذ الثقب في المصنع كثقب عادي مطلٍ بالمعادن، تمامًا كما هو مرسوم في التصميم، مما يؤدي إلى شحن اللوحة مع وجود عدد كبير من «الأنابيب الصغيرة الشاربة للحام» أسفل رقاقة «بي جي إيه».

لقد شاهدتُ السلسلة فعليًّا تتكشَّف ثلاث مراتٍ خلال العامين الماضيين. يدرج مطوِّر تقنية تقنية «الثقوب المُمرَّرة عبر اللوحة» (via-in-pad) لتفكيك جهازٍ كثيف الترتيب. وتتناول الملاحظات الرائعة ترتيب الطبقات (stack-up)، والمنتج، ووزن النحاس— وكل شيءٍ آخر ما عدا معالجة الثقوب المُمرَّرة. ثم تُقدِّم شركة تصنيع اللوحات الإلكترونية عرض سعرٍ وتصنع اللوحة دون طرح أي استفسار، لأن نظامها يعامل الثقوب المُمرَّرة غير المحدَّدة على أنها ثقوب مفتوحة تمامًا (open through). ويكتشف التشغيل الأولي للنظام المشكلة. فيبدأ لعبُ إلقاء اللوم. ولا ينتصر أحد.

ما الذي تكلِّفكَ إياه الثقوب المفتوحة فعليًّا

إن أنماط الفشل الناجمة عن امتصاص اللحيم بالقصبة (solder wicking) لا تقتصر على الوصلات الرقيقة فقط. بل هناك أربعة أنماط، وهي تتراكم معًا:

جوع اللحيم والوصلات المنقطعة: أي أن كمية اللحيم في الوصلة أقلُّ من الكمية المطلوبة. وفي أسوأ الحالات، لا يلتصق كرة الـBGA باللوحة أبدًا، فتنتج وصلة منقطعة لا تظهر إلا عند الاختبار الوظيفي— أو ما هو أسوأ من ذلك، أثناء التشغيل الميداني.

الفجوات.  حتى عندما تبدو الوصلة مناسبة، فإن اللحام الذي لم يتحرك بشكل صحيح إلى داخل الفتحة غالبًا ما يترك فراغات خلفه. وتؤدي الفراغات في وصلات الـ BGA إلى رفع المقاومة الكهربائية وتكوين نقاط تركّز إجهادية. وعند التعرّض لتقلبات حرارية، تتسع هذه الفراغات. وقد تمر الوصلة المعطّلة بتقييم الأشعة السينية في المصنع، لكنها تفشل عند الشهر الرابع عشر.

انبعاث الغازات.  قد تحبس الفتحات غير المتصلة بقايا مادة التدفق والرطوبة والمواد الكيميائية المستخدمة في التعامل داخل جسم الفتحة. وخلال عملية إعادة التسخين، تتبخر هذه الملوثات وتدفع فقاعات عبر اللحام المنصهر. وفي أسوأ الحالات، يؤدي ذلك إلى انفجار اللحام من الفتحة نحو الوصلات المجاورة — وهي عيب قد يتسبب في حدوث قصر كهربائي بين دائرتين غير متصلتين، ويُنتج عطلًا يصعب جدًّا اكتشافه.

كرات اللحام.  قد يتكون من اللحام الناتج عن فتحة غير متصلة في الجانب الثاني للوحة دوائر إلكترونية كراتٌ حرة تحت سطح اللوحة. والجزيئات الموصلة الحرة داخل العلبة تمثّل قصرًا كهربائيًّا دوريًّا على وشك الحدوث.

كلٌّ من إعدادات الفشل هذه يمكن تجنُّبها. وكلٌّ منها غير مرئيٍّ حاليًّا عند تطويره — فالضرر يحدث داخل جسم الثقب عبر البرميل خلال نافذة زمنية مدتها ٣٠ ثانية في فرن إعادة التدفق.

كيف يبدو المعالجة الصحيحة

لحسن الحظ: لهذه المسألة حلٌّ معياريٌّ ومحدَّدٌ جيدًا. أما المشكلة فهي أن هذا الحل يتطلَّب تحديدًا صريحًا، لأن تنفيذه يترتَّب عليه تكلفة مالية، ولن يحدث تلقائيًّا.

ربط الثقوب عبر البرميل  يشكِّل الحد الأدنى المطلوب — أي ملء برميل الثقب بمادة تمنع دخول اللحيم إليه. أما بالنسبة لـ ثقب انتقالي في الوصلة  التطبيقات فالممارسة الشائعة هي ملء الثقوب عبر البرميل بالإضافة إلى طلاء الغطاء النحاسي: حيث يُملأ الثقب براتنج موصل أو غير موصل، ثم يُجفَّف الراتنج ويُستوى سطحه، وبعد ذلك يُطبَّق غطاء نحاسي رقيق فوقه. والنتيجة هي سطح وصلة كهربائية يعادل تمامًا سطح وصلة لا تحتوي ثقبًا من حيث الخصائص. وتستقر معجون اللحيم على سطح نحاسي صلب، تمامًا كما قصده تصميم القالب.

تصنِّف القطاعات هذه الطريقة ضمن فئة الأمان تحت معيار IPC-4761 والتي تحدد سبعة أنواع من طرق التغطية الأمنية، بدءًا من التغطية البسيطة (Tenting) وصولًا إلى الطرق المُملَّأة والمُغلَّفة تمامًا. أما بالنسبة للفيَّات داخل الوصلات (Via-in-Pad)، فالأنواع ذات الصلة هي الأنواع المملوءة: النوع الرابع (مملوء ومغطى بالكامل) والنوع السابع (مملوء ومُغلَّف بطبقة إضافية من القناع). وإليك الفرق الذي يُربك الكثيرين: التغطية البسيطة (Tenting) — حيث تُغطى الفيا فقط بطبقة مقاومة للقصدير من الجهتين — لا تصلح للفيَّات داخل الوصلات (Via-in-Pad). فالتغطية البسيطة تمنع دخول القصدير إلى الفيا على السطح، لكن طبقة المقاومة قد تتشقق تحت الإجهاد الحراري، كما أنها لا تعالج مسألة انبعاث الغازات (Outgassing) أو التلوث العالق داخل جسم الفيا. وتُستخدم التغطية البسيطة للفيَّات الواقعة بين الوصلات، وليس داخلها.

ومعلومتان إضافيتان مهمتان في مرحلة التصنيع:

أولًا: اختيار منتج الحشوة. موصل  تُختار مواد الحشوة (عادةً إيبوكسي مملوء بالنحاس) عندما تحمل الفيا تيارًا كهربائيًّا — فهي تحافظ على المسار الكهربائي عبر الوصلة. غير موصلة  يُسمح باستخدام الراتنج عندما يتطلب الأمر إغلاق الثقب ميكانيكيًّا فقط. ويؤثر هذا الخيار في التكلفة والأداء الكهربائي، ويجب اتخاذه وفق نموذج الشهادة، وليس اكتشافه أثناء التصنيع.

ثانيًا: جودة الحشوة. فالحشوة الجزئية تساوي الحشوة المفتوحة من حيث السوء — فإذا توقفت المادة عند منتصف عمق الأنبوب، فسيظل هناك فراغ تحت الوصلة يمكن أن يحتفظ بالرطوبة ويطلق الغازات أثناء عملية الانصهار. وتوصي مواصفات آي بي سي (IPC) بأن تكون الحشوة خاليةً عمليًّا من الفراغات في منطقة الـ BGA، كما سيقوم مصنعٌ كفؤٌ بعمل قطاع عرضي (cross-section) لعينة من كل لوحة إنتاج لإثبات ذلك. فإن لم يُظهر لك المورِّد تلك البيانات الخاصة بالقطاع العرضي، فاسأله لماذا.

الالتفاف حول المشكلة عندما يكون ذلك ممكنًا

إذا سمح التصميم بذلك، فإن أنظف حلٍّ هو تجنُّب استخدام الثقوب داخل الوصلات (via-in-pad) تمامًا. التوجيه على شكل عظم الكلب -- مسار قصير من اللوحة إلى الموضع المستخدم بالقرب منها -- هو الخيار الكلاسيكي، ويُزيل المشكلة من مصدرها. والمقابلة هي المساحة: فمساحة شكل عظم الكلب أكبر، وعند الخطوات الأصغر من ٠٫٤ مم، لا تتّسع غالبًا. ولذلك وُجدت تقنية الثقوب عبر اللوح (via-in-pad) أصلًا.

وهناك أيضًا خيار استخدام الثقوب عبر اللوح فقط عند الحاجة . ويمكن للوحة أن تُمرّر معظم مساراتها باستخدام طريقة عظم الكلب، وتستخدم الثقوب عبر اللوح في صفوف دبابيس الـBGA التي لا يمكن تجنبها بطرق أخرى. وهذه الطريقة الهجينة تقلّل من عدد الثقوب التي تحتاج إلى سدّ — وهي النقطة التي تتركّز فيها التكلفة الإنتاجية فعليًّا — دون المساس بإمكانية التوصيل.

المتطلبات التي تحافظ على المسار

ويتلخّص الحل لهذه المجموعة الكاملة من المشكلات في جملة واحدة في ملاحظات التصنيع: سدّ جميع الثقوب الواقعة داخل لوح الجزء وغطّيها وفقًا للمعيار IPC-4761 النوع الرابع/السابع، مع التأكيد على سدّها دون فراغات عبر الفحص المقطعي.

هذه الجملة لا تتطلب منك عمليًّا أيَّ جهدٍ لكتابتها. وهي توفر عليك إعادة العمل، والهدر، وحالات الفشل في المناطق، والخلاف حول تحديد الجهة المسؤولة.

إليك اختبارًا يمكنك إجراؤه على لوحتك التالية قبل إرسالها إلى مصنع التصنيع: افتح بيانات التصميم الخاصة بك، وعُدِّ عدد الثقوب المعدنية (viass) التي تلامس أو تقع داخل وصلات اللحام (solder pads)، ثم اسأل نفسك ما الذي سيمنع لحام الصهر من الدخول إليها. وإذا كانت الإجابة «لا شيء»، فحينها تكون قد اكتشفت المشكلة قبل أن تكلفك دفعة تصنيع كاملة. وهذه أرخص عملية إصلاح في هذا المجال — وهي متاحة أمام كل شخص يخصص ثلاثين ثانية فقط للنظر.