چرا سolder شما درون سوراخ‌های عبوری ناپدید می‌شود؟

چرا سolder شما درون سوراخ‌های عبوری ناپدید می‌شود؟

راه‌اندازی نشدهٔ سوراخ در پد

این X-RAY تصویر تمام داستان را روایت می‌کرد، اما هیچ‌کس قصد بررسی آن را نداشت. یک برد مصرف‌کننده — ماژولی ضخیم که حول یک بستهٔ بی‌جی‌ای با فاصلهٔ پین ۰٫۵ میلی‌متر طراحی شده بود — در واقع از  ریفلاکس  با نرخ شکست ۹ درصد در اولین آزمون بازگشته بود. اتصال‌های معیوب وجود نداشتند. بلکه نازک بودند. تصاویر اشعهٔ ایکس نشان‌دهندهٔ اتصال‌های لحیمی بود که انگار رژیم رفته‌اند: به‌طور جزئی پر شده، فاقد لحیم کافی، و برخی از آن‌ها به‌وضوح در آستانهٔ قطع بودند.

ما معمولی‌ترین عوامل را بررسی کردیم. استنسیل درست تشخیص داده شد — مشکلی نداشت. حجم خمیر لحیم‌کاری  در محدودهٔ مشخص‌شده بود — مشکلی نداشت. نمودار حرارتی بازپخت با توصیهٔ سازندهٔ خمیر لحیم‌کشی همخوانی داشت — مشکلی نداشت.

سپس یک مهندس برد را برگرداند و چیزی در سمت پایین آن متوجه شد. دقیقاً زیر ناحیهٔ بی‌جی‌ای، سوراخ‌های ویا پر از لحیم بودند. نه کمی. کاملاً پر، مثل نی‌های فلزی ریز.

سبک طراحی سوراخ‌های ویا را مستقیماً در پدها قرار داده بود -- از طریق-در-پد، روش فرمت‌بندی که هدایت متراکم BGA را امکان‌پذیر می‌سازد -- و هیچ‌کس در واقع با استفاده از پلاگینگ تعریف نکرده بود. در حین رفلو، سولدر ذوب‌شده همان کاری را انجام داد که همیشه سولدر ذوب‌شده انجام می‌دهد وقتی به یک سوراخ باز برخورد می‌کند: وارد آن شد. اتصالات جلویی برای این اتفاق هزینه کردند.

فیزیک یک سوراخ سولدرخواه

این مکانیزم است که به ساده‌ترین شکل خود بازگردانده شده است. وقتی پاست سولدر در اجاق رفلو ذوب می‌شود، به مایع تبدیل می‌گردد. سولدر مایع مس را مرطوب می‌کند — این همان چیزی است که اصولاً انجام لحیم‌کاری را ممکن می‌سازد. یک سوراخ عبوری باز در وسط یک پد، لوله‌ای مس‌آغشته است که مستقیماً به سمت پایین و درون برد هدایت می‌کند. سولدر مایع نیازی به هل داده شدن ندارد. فعالیت مویینه آن را به داخل بدنه سوراخ عبوری می‌کشد، دقیقاً همان‌طور که آب از طریق یک دستمال کاغذی بالا می‌رود.

مقدار سolderی که یک سوراخ عبوری می‌تواند جذب کند، بی‌اهمیت نیست. به یک راه‌اندازی رایج فکر کنید: سوراخی به قطر ۰٫۲۵ میلی‌متر روی پد BGA با فاصله‌ی ۰٫۴ میلی‌متر. حجم داخلی یک سوراخ ۰٫۲۵ میلی‌متری در یک برد ۱٫۶ میلی‌متری تقریباً ۰٫۰۸ میلی‌متر مکعب است. یک اسنسیل معمولی برای این پد، بین ۰٫۱ تا ۰٫۱۵ میلی‌متر مکعب پاست سolderی را روی آن قرار می‌دهد — و پاست پس از سوختن مواد فرار، تنها حدود نیمی از حجمش را فلز تشکیل می‌دهد. به عبارت دیگر، یک سوراخ عبوری باز می‌تواند تقریباً تمام سolderی را که برای ایجاد اتصال در نظر گرفته شده بود، جذب کند. در برخی موارد، تمام آن را.

این همان محاسبات ریاضی پشت این مشکل است. این نتیجه‌ای ضعیف نیست. این هم نیست که «گاهی اوقات اتصالی کمی ضعیف به دست می‌آورید.» یک سوراخ عبوری باز در پد BGA می‌تواند تمام ذخیره‌ی سolderی اختصاص‌یافته به آن نقطه را جذب کند و اتصالی را ایجاد کند که یا کاملاً قطع است یا آن‌قدر فقیر از سolder است که در عرض چند ماه تحت چرخه‌های حرارتی از کار می‌افتد.

چرا مهندسان به اینجا می‌رسند

هیچ‌کس عمداً از طریق‌های باز را درون پد قرار نمی‌دهد. روش «از طریق درون پد» تنها راه ممکن برای خروج پین‌های BGA با گام بسیار ریز است. زیرا در گامی کمتر از حدود ۰٫۵ میلی‌متر، فضای کافی بین پدها برای روتینگ سگ‌استخوان (dog-bone) وجود ندارد — یعنی روش معمولِ کشیدن یک ردیاب کوتاه از پد به سمت طریقی که در کنار آن قرار گرفته است. بنابراین خود پد باید طریق را دربرگیرد؛ وگرنه طراحی اصلاً امکان‌پذیر نخواهد بود.

پس این روش مجاز است و بسیار ضروری. آنچه افراد را سردرگم می‌کند، شرط اجرای آن است: قرار دادن طریق درون پد تنها زمانی پذیرفتنی است که به‌درستی پردازش شده باشد. داده‌های طراحی باید عبارت «از طریق زیرین» را ذکر کنند. همچنین دستورالعمل ساخت باید صراحتاً بیان کند که «این طریق را پر کرده و سر آن را بپوشانید» — و اگر چنین نشود، تولیدکننده طریق را به‌صورت یک سوراخ فلزپوشش‌دار ساده (plated-through hole) اجرا می‌کند، دقیقاً همان‌طور که در نقشه نشان داده شده است، و برد با تعداد زیادی «نیوهای کوچک جاذب سolder» زیر BGA عرضه می‌شود.

در واقع، در دو سال گذشته سه بار شاهد اجرای این سری بوده‌ام. یک توسعه‌دهنده از طریق سوراخ‌های داخل پد (via-in-pad) برای خروجی گرفتن از یک قطعهٔ متراکم استفاده می‌کند. یادداشت‌های عالی به بحث دربارهٔ ترتیب لایه‌ها، محصول، وزن مس و همهٔ موارد دیگر می‌پردازند—اما هیچ‌گونه اشاره‌ای به روش ایجاد سوراخ (via treatment) نمی‌کنند. تولیدکنندهٔ برد بدون پرسیدن سفارش را ارائه می‌دهد و برد را می‌سازد، زیرا سیستم آن‌ها سوراخ‌های نامشخص را به‌عنوان سوراخ‌های عبوری باز (open through) تفسیر می‌کند. در اولین نوبت نصب، مشکل کشف می‌شود. بازی سرزنش آغاز می‌شود. هیچ‌کس برنده نمی‌شود.

هزینهٔ واقعی سوراخ عبوری باز (Open Via)

حالت‌های خرابی ناشی از جذب لحیم (solder wicking) تنها به اتصال‌های نازک محدود نمی‌شوند. چهار حالت وجود دارد و این مشکلات روی هم انباشته می‌شوند:

کمبود لحیم و اتصال‌های قطع. نوعی اتصال که حجم لحیم کمتر از حد لازم دارد. در بدترین موارد، گلولهٔ BGA هرگز به پد نمی‌چسبد و اتصالی قطع ایجاد می‌شود که فقط در آزمون عملکردی آشکار می‌گردد—یا حتی بدتر، در محیط واقعی.

شکاف‌ها.  حتی زمانی که اتصال ظاهراً مناسب به نظر می‌رسد، لحیمی که به درستی وارد سوراخ عبوری نشده است، اغلب حفره‌هایی را پشت سر می‌گذارد. فضاهای موجود در اتصالات BGA مقاومت الکتریکی را افزایش داده و نقاط تمرکز تنش ایجاد می‌کنند. در شرایط چرخه‌های حرارتی، این فضاها گسترش می‌یابند. یک اتصال باطل در آزمون اشعه ایکس در کارخانه قبول می‌شود اما در ماه ۱۴ شکست می‌خورد.

آزادسازی گاز.  سوراخ‌های عبوری غیرمتصل می‌توانند بقایای فلاکس، رطوبت و مواد شیمیایی مربوط به دستکاری را درون بدنه خود به دام بیندازند. در طول فرآیند ریفلو، این آلاینده‌ها تبخیر شده و حباب‌ها را از طریق لحیم مذاب به سمت بالا هل می‌دهند. در بدترین موارد، باعث می‌شوند لحیم از سوراخ عبوری به سمت پدهای مجاور پاشیده شود — نقصی که می‌تواند دو مدار غیرمتصل را اتصال کوتاه کند و عیبی ایجاد کند که ردیابی آن بسیار دشوار است.

گلوله‌های لحیم.  لحیمی که از یک سوراخ عبوری باز در سمت دوم بیرون می‌آید می‌تواند گلوله‌های آزادی را در زیر برد ایجاد کند. ذرات رسانای آزاد درون یک جعبه حفاظتی، اتصال کوتاه دوره‌ای در انتظار رخ دادن است.

هر یک از این تنظیمات ناموفق قابل پیشگیری است. هر کدام از آنها در زمان توسعه‌یافتن دیده نمی‌شوند — آسیب در داخل بدنه‌ی وایا در طول پنجره‌ی زمانی سی ثانیه‌ای در اجاق بازپخت رخ می‌دهد.

ظاهر پردازش صحیح

خوشبختانه: این مسئله راه‌حلی استاندارد و به‌خوبی تعریف‌شده دارد. مشکل این است که باید به‌صورت صریح مشخص شود، زیرا هزینه‌بر است و به‌طور خودکار رخ نمی‌دهد.

اتصال وایا  حداقل الزام است — پر کردن بدنه‌ی وایا با ماده‌ای به‌گونه‌ای که سolder نتواند وارد آن شود. برای سوراخ در پد  کاربردهای پرکردن وایا همراه با روکش‌دهی سری : بدنه‌ی وایا با رزین هادی یا غیرهادی پر می‌شود، رزین سخت‌شده و صاف‌شده و سپس لایه‌ای از مس روی آن ایجاد می‌شود. نتیجه، سطح پدی است که از نظر عملکردی با پدی بدون وایا کاملاً معادل است. خمیر سolder روی مس جامد قرار می‌گیرد، دقیقاً همان‌گونه که طراحی اسنسیل پیش‌بینی کرده است.

صنعت این روش را تحت عنوان امنیت IPC-4761 , که هفت نوع استفاده از امنیت را مشخص می‌کند، از پوشاندن ساده تا ساختارهایی که سوراخ‌ها پر و درب‌گذاری شده‌اند. برای وایا درون پد، انواع مربوطه، انواع بارگذاری‌شده هستند: نوع چهارم (پر و پوشانده‌شده) و نوع هفتم (پر و درب‌گذاری‌شده با ماسک اضافی). تفاوت زیر همان چیزی است که اغلب افراد را گیج می‌کند: پوشاندن — که در آن سوراخ تنها از دو طرف با ماسک لحیم پوشانده می‌شود — مناسب برای وایا درون پد نیست. پوشاندن جلوی ورود لحیم به سوراخ روی سطح را می‌گیرد، اما ماسک ممکن است تحت تنش حرارتی ترک بخورد و هیچ کاری برای خروج گازهای محبوس‌شده یا آلودگی‌های گیر افتاده در بدنه سوراخ انجام نمی‌دهد. پوشاندن برای وایاهای بین پدها، نه درون آن‌ها، به کار می‌رود.

دو اطلاعات دیگر که در تولید اهمیت دارند:

اول، انتخاب محصول پرکننده. هادی  مواد پرکننده (معمولاً اپوکسی پر‌شده با مس) زمانی انتخاب می‌شوند که وایا جریان الکتریکی را منتقل کند — این مواد مسیر الکتریکی را از طریق پد حفظ می‌کنند. غیرهادی  استفاده از رزین در مواردی که تنها نیاز به قطع مکانیکی وجود دارد، پذیرفتنی است. این گزینه بر هزینه و عملکرد الکتریکی تأثیر می‌گذارد و باید در مرحلهٔ شاهدی (تستی) و نه در خط تولید تعیین شود.

دوم، کیفیت پرکردن. پرکردن ناقص هم‌ارز با عدم پرکردن است — اگر ماده تا نیمهٔ بدنهٔ سوراخ پیش رود، فضای خالی زیر پد باقی می‌ماند که می‌تواند آلاینده جذب کند و در حین عبور از فرآیند رفلو گاز آزاد کند. دستورالعمل‌های IPC الزام می‌کنند که پرکردن در ناحیهٔ BGA تقریباً فاقد حفره باشد و یک تولیدکنندهٔ مجرب حتماً برش عرضی از نمونه‌ای از هر تختهٔ تولیدی را انجام می‌دهد تا این موضوع را اثبات کند. اگر تأمین‌کنندهٔ شما نتواند این داده‌های برش عرضی را در اختیار شما قرار دهد، دلیل آن را بپرسید.

پیش‌بینی مسیر دور آن هنگامی که امکان‌پذیر است

اگر طراحی مدار اجازه دهد، تمیزترین راه‌حل این است که از کاملًا استفاده نکردن از سوراخ در پد خودداری شود. مسیریابی نوع استخوان سگ -- ردیابی کوتاهی از پد تا یک سوراخ عبوری که نزدیک آن قرار گرفته است -- گزینهٔ کلاسیک است و مشکل را از ریشه برطرف می‌کند. جبران این روش، فضای اشغال‌شده است: اندازهٔ «استخوان سگی» بزرگ‌تر است و در فواصل کمتر از ۰٫۴ میلی‌متر، معمولاً جا نمی‌گیرد. به همین دلیل است که ابتدا روش «سوراخ عبوری درون پد» ابداع شده است.

گزینهٔ دیگری نیز وجود دارد: استفاده از سوراخ عبوری درون پد فقط در جاهای لازم . یک برد می‌تواند اکثر مسیرهای خود را با روش «استخوان سگی» طراحی کند و تنها برای ردیف‌های پین‌های BGA که واقعاً راه‌حل دیگری ندارند، از روش «سوراخ عبوری درون پد» استفاده کند. این روش ترکیبی، تعداد سوراخ‌های عبوری که نیاز به پرکردن دارند را کاهش می‌دهد — که همان‌جاست که هزینهٔ ساخت واقعاً متمرکز می‌شود — بدون اینکه قابلیت مسیریابی را تحت تأثیر قرار دهد.

شرایطی که اجرای مسیرها را حفظ می‌کند

راه‌حل این گروه کامل از مسائل، در یک خط در یادداشت‌های تولید خلاصه می‌شود: پرکردن و درپوش قرار دادن تمام سوراخ‌های عبوری موجود در پدهای قطعات، مطابق استاندارد IPC-4761 نوع IV/VII، با تأیید پرکردن بدون حفره از طریق برش عرضی.

آن جمله تقریباً هیچ هزینه‌ای برای نوشتن آن ندارد. این جمله از انجام مجدد کار، دور ریختن قطعات، خرابی‌های ناحیه‌ای و اختلاف نظر دربارهٔ اینکه اشتباه چه کسی است، جلوگیری می‌کند.

در اینجا آزمونی است که می‌توانید روی برد بعدی خود قبل از ارسال به کارخانه ساخت انجام دهید: داده‌های طراحی خود را باز کنید، تعداد ویاها را بشمارید که به پدهای لحیم یا درون آن‌ها قرار گرفته‌اند و این سؤال را مطرح کنید که چه چیزی از جریان یافتن لحیم مذاب به داخل آن‌ها جلوگیری می‌کند. اگر پاسخ «هیچ چیز» باشد، شما مشکل را پیش از اینکه هزینهٔ یک تولید انبوه را برایتان به همراه داشته باشد، کشف کرده‌اید. این ارزان‌ترین راه‌حل در این صنعت است — و برای هر کسی که فقط سی ثانیه وقت بگذارد تا نگاهی بیندازد، در دسترس است.