เหตุใดการบัดกรีของคุณจึงหายไปภายในรูเจาะ (Via) อยู่เสมอ

เหตุใดการบัดกรีของคุณจึงหายไปภายในรูเจาะ (Via) อยู่เสมอ

ปัญหาช่องเปิดแบบไม่เชื่อมต่อ (Via-in-Pad) ที่ไม่ได้รับการตรวจสอบ

ตลาด รังสีเอ็กซ์ ภาพถ่ายเล่าเรื่องทั้งหมดได้อย่างชัดเจน แต่กลับไม่มีผู้ใดตั้งใจจะตรวจสอบอย่างละเอียด แผงวงจรของผู้บริโภค—โมดูลหนาที่ออกแบบรอบชิป BGA ที่มีระยะห่างระหว่างขา (pitch) เพียง 0.5 มิลลิเมตร—ถูกส่งกลับมา  re-flow  พร้อมอัตราความล้มเหลวในการทดสอบครั้งแรกสูงถึงร้อยละ 9 จุดต่อเชื่อมที่เสียหายไม่ได้ขาดหายไป แต่กลับบางเกินไป ภาพเอกซเรย์แสดงให้เห็นรอยบัดกรีที่ดูราวกับว่ากำลังลดน้ำหนัก: เติมเนื้อบัดกรีไม่เต็ม ขาดเนื้อบัดกรีอย่างชัดเจน และบางจุดอยู่ในภาวะใกล้เคียงกับการขาดการเชื่อมต่อโดยสมบูรณ์

เราตรวจสอบสาเหตุที่พบบ่อยตามปกติ สแตนซิลผ่านการตรวจสอบแล้ว—ไม่พบข้อผิดพลาด สารละลายตะกั่ว  ปริมาตรเนื้อวางบัดกรีอยู่ภายในเกณฑ์ที่กำหนด—ไม่พบข้อผิดพลาด โพรไฟล์การให้ความร้อนขณะบัดกรีสอดคล้องกับคำแนะนำจากผู้ผลิตเนื้อวางบัดกรี—ไม่พบข้อผิดพลาด

จากนั้น วิศวกรคนหนึ่งพลิกแผงวงจรและสังเกตเห็นบางสิ่งบนด้านล่าง ใต้บริเวณ BGA โดยตรง ช่องเปิด (vias) ถูกเติมด้วยเนื้อบัดกรีจนแน่นทั้งหมด ไม่ใช่เพียงเล็กน้อย แต่แน่นจนเหมือนหลอดโลหะขนาดเล็กมาก

การออกแบบได้วาง ช่องเปิด (vias) ไว้โดยตรงบนแผ่นเชื่อม (pads) -- วิธีการจัดรูปแบบแบบไวอา-อิน-แพด ซึ่งทำให้การวางบีจีเอแบบหนาแน่นเป็นไปได้ -- และไม่มีผู้ใดเคยนิยามอย่างชัดเจนมาก่อนว่าเกิดขึ้นผ่านการเสียบเข้าไป ระหว่างขั้นตอนรีโฟลว์ ตะกั่วที่หลอมเหลวจะทำสิ่งที่มันมักทำเสมอเมื่อพบหลุมเปิด: มันไหลเข้าไปในหลุมนั้น รอยต่อที่อยู่ด้านหน้าจึงสูญเสียตะกั่วไป

หลักฟิสิกส์ของหลุมที่ดูดซับตะกั่วได้ดี

นี่คือกลไกพื้นฐานที่ถูกย่อให้กระชับที่สุด เมื่อพาสต์ตะกั่วหลอมละลายในเตาอบรีโฟลว์ มันจะกลายเป็นของเหลว ตะกั่วในสถานะของเหลวจะทำปฏิกิริยากับทองแดง—นี่คือเหตุผลหลักที่การประสานด้วยตะกั่วจึงเป็นไปได้เลย หลุมทะลุที่อยู่ตรงกลางของแพดคือท่อลักษณะเป็นทองแดงหุ้ม ซึ่งชี้ลงตรงๆ ผ่านแผงวงจร ตะกั่วที่หลอมละลายจึงไม่จำเป็นต้องถูกดันเข้าไป แรงดึงดูดจากหลอดเล็ก (capillary action) จะดึงมันเข้าไปในช่องหลุมโดยอัตโนมัติ เหมือนกับที่น้ำสามารถไหลขึ้นตามเนื้อกระดาษทิชชู่

ปริมาณของตะกั่วที่รูผ่าน (via) สามารถดูดซับได้นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง ลองพิจารณาการจัดวางแบบทั่วไป: รูเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.25 มม. บนแผ่น BGA ที่มีระยะห่างระหว่างศูนย์กลางของแต่ละรู (pitch) เท่ากับ 0.4 มม. รูขนาด 0.25 มม. บนแผ่นวงจรที่หนา 1.6 มม. จะมีปริมาตรภายในประมาณ 0.08 ลูกบาศก์มิลลิเมตร ในขณะที่แม่พิมพ์สกรีน (stencil) ทั่วไปสำหรับแผ่นนี้จะฉีดวางครีมตะกั่ว (solder paste) ไว้ระหว่าง 0.1 ถึง 0.15 ลูกบาศก์มิลลิเมตร — และครีมตะกั่วหลังผ่านกระบวนการเผา (reflow) จะมีส่วนประกอบเป็นโลหะเพียงประมาณครึ่งหนึ่งของปริมาตรทั้งหมด กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูผ่านที่ไม่ได้อุดตันแม้เพียงรูเดียวอาจดูดซับตะกั่วเกือบทั้งหมดที่ควรใช้ในการสร้างรอยต่อ (joint)

นี่คือหลักคณิตศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังปัญหานี้ มันไม่ใช่ผลลัพธ์ที่ต่ำมากนัก หรือไม่ใช่กรณีที่ "บางครั้งคุณอาจได้รอยต่อที่แข็งแรงน้อยกว่าปกติเล็กน้อย" รูผ่านที่ไม่ได้อุดตันในแผ่น BGA อาจดูดซับตะกั่วทั้งหมดที่จัดเตรียมไว้สำหรับจุดเชื่อมนั้นจนเหลือตะกั่วไม่พอสร้างรอยต่อที่สมบูรณ์ ส่งผลให้รอยต่อนั้นขาดสนิท หรือไม่ก็ขาดแคลนตะกั่วอย่างรุนแรงจนล้มเหลวภายในไม่กี่เดือนภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ (thermal cycling)

เหตุใดวิศวกรจึงพบเจอสถานการณ์เช่นนี้

ไม่มีใครวาดไวอาแบบเปิดไว้บนพื้นผิวแผ่นวงจรโดยตั้งใจ กลยุทธ์การวางไวอาไว้บนพื้นผิวแผ่นวงจร (via-in-pad) มีอยู่เพราะนี่คือวิธีเดียวที่จะเชื่อมต่อขาของชิป BGA ที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบมาก เมื่อระยะห่างระหว่างขาแคบลงถึงประมาณ 0.5 มิลลิเมตร จะไม่มีพื้นที่ว่างระหว่างพื้นผิวแผ่นวงจรแต่ละจุดให้ใช้วิธีเดินสายสั้นๆ ออกไปยังไวอาที่วางอยู่ข้างๆ (dog-bone routing) ซึ่งเป็นวิธีทั่วไป ดังนั้น ไวอาจึงจำเป็นต้องอยู่บนพื้นผิวแผ่นวงจรเอง มิฉะนั้น งานออกแบบจะไม่สามารถผลิตได้จริง

ดังนั้น วิธีนี้จึงถูกต้องตามหลักวิศวกรรม และจำเป็นอย่างยิ่ง สิ่งที่ทำให้ผู้คนกังวลคือข้อกำหนดเฉพาะ: ไวอาที่วางบนพื้นผิวแผ่นวงจรจะยอมรับได้ก็ต่อเมื่อผ่านกระบวนการผลิตอย่างเหมาะสมเท่านั้น ข้อมูลการออกแบบระบุว่า "ผ่านชั้นล่างทั้งหมด" (through below) ขณะที่คำสั่งผลิตต้องระบุชัดเจนว่า "ให้เติมวัสดุและปิดผิวไวอาชิ้นนี้" (fill and cap this via) หากไม่ระบุเช่นนั้น โรงงานผลิตจะสร้างไวอาในรูปแบบรูที่ชุบโลหะผ่านทั้งแผ่น (plated-through hole) ตามที่ออกแบบไว้ทุกประการ ทำให้แผ่นวงจรที่ส่งมอบออกมานั้นมีหลอดเล็กๆ จำนวนมากใต้ชิป BGA ซึ่งจะดูดซับเนื้อประสานขณะบัดกรี

ฉันได้เห็นซีรีส์นี้เกิดขึ้นจริงสามครั้งในช่วงสองปีที่ผ่านมา นักพัฒนาหนึ่งรายใช้เทคนิค via-in-pad เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่มีความหนาแน่นสูง บันทึกที่ยอดเยี่ยมเหล่านั้นกล่าวถึงโครงสร้างชั้นของแผงวงจร (stack-up) ผลิตภัณฑ์ และน้ำหนักทองแดง — ทุกอย่างยกเว้นวิธีการจัดการกับ via นั้นเอง ผู้ผลิตแผงวงจรเสนอราคาและผลิตแผงโดยไม่สอบถามเพิ่มเติม เพราะระบบของพวกเขาถือว่า via ที่ไม่ระบุรายละเอียดเป็น open through โดยอัตโนมัติ การทดสอบครั้งแรกหลังการประกอบจะเผยปัญหานี้ออกมา เริ่มต้นเกมแห่งการโยนความผิด ไม่มีใครเป็นผู้ชนะ

ต้นทุนที่แท้จริงของการใช้ open via

โหมดความล้มเหลวจากปรากฏการณ์ solder wicking ไม่จำกัดอยู่แค่รอยต่อที่บางเท่านั้น มีทั้งหมดสี่แบบ และแต่ละแบบซ้อนทับกัน

ภาวะขาดเนื้อประสาน (solder hunger) และการขาดการเชื่อม (opens) คือรอยต่อที่มีเนื้อประสานน้อยกว่าที่จำเป็น ในกรณีรุนแรงที่สุด ลูกบอล BGA จะไม่เกาะติดกับแผ่นโลหะ (pad) เลยแม้แต่น้อย ส่งผลให้เกิดการขาดการเชื่อม ซึ่งอาจตรวจพบได้เฉพาะในการทดสอบการทำงานเท่านั้น — หรือแย่กว่านั้น คือเกิดขึ้นขณะใช้งานจริงในสนาม

ช่องว่าง  แม้รอยต่อจะดูเหมาะสม แต่เนื้อโลหะเชื่อมที่ไม่ไหลเข้าไปในรูเจาะอย่างถูกต้องมักทิ้งช่องว่างไว้ ช่องว่างในรอยต่อของ BGA จะเพิ่มความต้านทานไฟฟ้า และสร้างจุดที่ความเครียดสะสม เมื่อผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ ช่องว่างเหล่านี้จะขยายตัว รอยต่อที่เสียประสิทธิภาพอาจผ่านการตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์ในโรงงาน แต่ล้มเหลวภายในเดือนที่ 14

การปล่อยก๊าซ  รูเจาะที่ไม่ได้เชื่อมต่ออาจกักเก็บคราบฟลักซ์ ความชื้น และสารเคมีจากการจัดการไว้ภายในโพรง เมื่อผ่านกระบวนการรีโฟลว์ สิ่งปนเปื้อนเหล่านี้จะกลายเป็นไอและดันฟองขึ้นผ่านเนื้อโลหะเชื่อมที่หลอมละลาย ในกรณีรุนแรงที่สุด จะทำให้โลหะเชื่อมกระเด็นออกมาจากรูเจาะลงบนแผ่นวงจรรอบข้าง — ข้อบกพร่องประเภทนี้อาจทำให้สายวงจรสองเส้นที่ไม่ได้เชื่อมต่อกันเกิดลัดวงจร และก่อให้เกิดความล้มเหลวที่ตรวจหาสาเหตุได้ยากมาก

เม็ดโลหะเชื่อม  โลหะเชื่อมที่ไหลออกมาจากรูเจาะด้านที่สองอาจก่อตัวเป็นทรงกลมเล็ก ๆ ที่หลุดลอยอยู่ใต้แผ่นวงจร เม็ดวัสดุนำไฟฟ้าที่หลุดลอยอยู่ภายในตัวเรือน คือเหตุการณ์ลัดวงจรที่อาจเกิดขึ้นได้ทุกเมื่อ

การตั้งค่าแต่ละข้อที่ล้มเหลวนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้ ทุกข้อในขณะนี้ยังไม่ถูกสังเกตเห็นเมื่อมีการพัฒนาขึ้น — ความเสียหายเกิดขึ้นภายในช่องว่างแบบเวีย (via) ตลอดช่วงเวลา 30 วินาทีในเตาอบรีโฟลว์

ลักษณะของการประมวลผลที่ถูกต้อง

โชคดีที่: ปัญหานี้มีทางแก้ไขที่ชัดเจนและเป็นมาตรฐาน แต่ข้อจำกัดคือ ต้องระบุไว้ล่วงหน้า เนื่องจากจะทำให้เกิดค่าใช้จ่ายเพิ่ม และจะไม่เกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ

การเชื่อมต่อผ่านเวีย  คือข้อกำหนดขั้นต่ำ — การเติมช่องว่างแบบเวียด้วยสารใดสารหนึ่ง เพื่อไม่ให้เนื้อโลหะเชื่อม (solder) เข้าไปในช่องนั้นได้ สำหรับ via-in-pad  การใช้งาน การเติมเวียพร้อมเคลือบฝาด้วยทองแดง (via filling plus cap plating) — ช่องว่างแบบเวียจะถูกเติมด้วยเรซินที่นำไฟฟ้าหรือไม่นำไฟฟ้า จากนั้นเรซินจะถูกบ่มและขัดให้เรียบเสมอกับผิวแผงวงจร ก่อนจะเคลือบชั้นทองแดงบางๆ ทับด้านบน ผลลัพธ์ที่ได้คือพื้นผิวของแผ่นเชื่อม (pad) ที่เทียบเท่ากับแผ่นเชื่อมที่ไม่มีเวียอย่างสมบูรณ์ ครีมเนื้อโลหะเชื่อม (solder paste) จึงวางตัวบนผิวทองแดงที่แข็งแรง ตามที่แบบแม่พิมพ์ (stencil) ออกแบบไว้

ภาคอุตสาหกรรมจัดหมวดหมู่ตามระดับความปลอดภัยภายใต้ IPC-4761 , ซึ่งระบุวิธีการใช้งานความปลอดภัยเจ็ดแบบ ตั้งแต่การคลุมด้วยสารปิดผิว (tenting) แบบง่าย ไปจนถึงโครงสร้างที่เติมวัสดุและปิดผนึกอย่างสมบูรณ์ สำหรับวิธีการใช้งานแบบ via-in-pad ประเภทที่เกี่ยวข้องคือประเภทที่เติมวัสดุแล้ว— ประเภทที่สี่ (เติมวัสดุและปิดผนึกทั้งสองด้าน) และประเภทที่เจ็ด (เติมวัสดุ ปิดผนึกด้วยสารปิดผิวเพิ่มเติม) ด้านล่างนี้คือความแตกต่างที่มักทำให้ผู้คนเข้าใจผิด: การคลุมด้วยสารปิดผิว (tenting) — ซึ่งหมายถึงการปิดผิวทั้งสองด้านของรูด้วยสารปิดผิวสำหรับการประสาน (solder mask) เท่านั้น — ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานแบบ via-in-pad การคลุมด้วยสารปิดผิวช่วยกันไม่ให้เนื้อประสานไหลเข้าสู่รูที่ผิวหน้า แต่สารปิดผิวอาจแยกตัวออกภายใต้ความเครียดจากความร้อน และยังไม่สามารถป้องกันการปล่อยก๊าซภายในรู (outgassing) หรือสิ่งสกปรกที่ติดค้างอยู่ภายในผนังรูได้ การคลุมด้วยสารปิดผิวจึงใช้กับรูเชื่อมระหว่างพื้นที่ประสาน (vias between pads) ไม่ใช่รูที่อยู่ภายในพื้นที่ประสาน

ข้อมูลเพิ่มเติมอีกสองประการที่สำคัญต่อกระบวนการผลิต:

ประการแรก คือการเลือกผลิตภัณฑ์สำหรับการเติมวัสดุ สายไฟ  วัสดุที่ใช้เติม (โดยทั่วไปคือเรซินอีพอกซีที่ผสมผงทองแดง) จะถูกเลือกใช้เมื่อรูเชื่อมต้องส่งกระแสไฟฟ้า— เพื่อรักษาเส้นทางการนำไฟฟ้าผ่านพื้นที่ประสาน ไม่เป็นฉนวน  เรซินสามารถใช้ได้เมื่อการเชื่อมต่อผ่านเพียงต้องการปิดกั้นทางกลเท่านั้น ตัวเลือกนี้ส่งผลต่อต้นทุนและประสิทธิภาพด้านไฟฟ้า จึงควรตัดสินใจในขั้นตอนการรับรองแบบตัวอย่าง ไม่ใช่รอจนถึงขั้นตอนการผลิตจริง

ประการที่สอง คุณภาพของการเติมวัสดุ รอยบัดกรีที่เติมวัสดุไม่เต็มจะให้ผลลัพธ์แย่พอๆ กับรอยบัดกรีที่เปิดเปล่า—หากวัสดุหยุดอยู่ครึ่งทางลงในช่องเจาะ ยังคงมีช่องว่างใต้แผ่นเชื่อมที่อาจกักเก็บสิ่งสกปรกและปล่อยก๊าซออกมาขณะผ่านกระบวนการรีโฟลว์ แนวทางของ IPC กำหนดให้บริเวณ BGA ต้องเติมวัสดุให้เกือบปราศจากโพรง และโรงงานผลิตที่มีความเชี่ยวชาญจะทำการตัดตัวอย่างชิ้นงานจากแต่ละแผงผลิตเพื่อตรวจสอบและยืนยันข้อนี้ หากผู้จัดจำหน่ายของคุณไม่สามารถแสดงข้อมูลผลการตัดตัวอย่างนี้ให้คุณดูได้ ให้ถามเหตุผล

ออกแบบเลี่ยงปัญหาเมื่อทำได้

หากวงจรส่งสัญญาณอนุญาต วิธีแก้ปัญหาที่สะอาดที่สุดคือหลีกเลี่ยงการใช้รูเจาะบนแผ่นเชื่อม (via-in-pad) อย่างสิ้นเชิง การวางเส้นสายแบบด็อก-โบน -- การวางร่องนำสัญญาณสั้น ๆ จากแผ่นวงจรไปยังช่องเชื่อมต่อ (via) ที่อยู่ใกล้เคียง -- เป็นวิธีแบบดั้งเดิม และสามารถกำจัดปัญหาตั้งแต่ต้นทางได้โดยตรง ข้อแลกเปลี่ยนคือพื้นที่ใช้งาน: พื้นที่ที่ใช้ของรูปแบบ dog-bone มีขนาดใหญ่กว่า และเมื่อระยะห่างระหว่างขา (pitch) ต่ำกว่า 0.4 มม. มักจะไม่สามารถจัดวางได้จริง นี่จึงเป็นเหตุผลหลักที่ทำให้มีการใช้เทคนิค via-in-pad ตั้งแต่แรก

นอกจากนี้ ยังมีทางเลือกอื่นคือ การใช้ via-in-pad แค่ในตำแหน่งที่จำเป็นเท่านั้น แผ่นวงจรสามารถจัดเส้นทาง (route) ส่วนใหญ่ด้วยรูปแบบ dog-bone ได้ตามปกติ และใช้เทคนิค via-in-pad เฉพาะแถวของขา BGA ที่ไม่สามารถจัดวางด้วยวิธีอื่นได้จริง วิธีผสมผสานนี้ช่วยลดจำนวนช่องเชื่อมต่อที่ต้องเติมสารกรอก (via fill) — ซึ่งเป็นจุดที่ต้นทุนการผลิตสูงที่สุด — โดยไม่กระทบต่อความสามารถในการจัดเส้นทาง

ข้อกำหนดที่รักษาความต่อเนื่องของการเดินสาย

แนวทางแก้ไขสำหรับกลุ่มปัญหานี้ทั้งหมดสรุปลงเหลือเพียงบรรทัดเดียวในหมายเหตุการผลิต: ต้องเติมสารกรอกและปิดผิวช่องเชื่อมต่อทั้งหมดที่อยู่ภายในแผ่นวงจร (part pads) ตามมาตรฐาน IPC-4761 ประเภท IV/VII โดยยืนยันว่าการเติมสารกรอกไม่มีโพรงว่าง (void-free fill) ผ่านการตรวจสอบภาคตัดขวาง

ประโยคนั้นไม่ต้องใช้ความพยายามมากนักในการเขียน แต่ช่วยประหยัดงานปรับปรุงซ้ำ วัสดุเสีย ข้อบกพร่องด้านพื้นที่ และข้อโต้แย้งเรื่องความรับผิดชอบ

นี่คือการตรวจสอบที่คุณสามารถทำกับแผงวงจรครั้งต่อไปก่อนส่งไปผลิต: เปิดข้อมูลการออกแบบของคุณ นับจำนวนไวอาที่สัมผัสหรืออยู่ภายในพื้นที่จุดเชื่อม แล้วถามตัวเองว่าอะไรจะป้องกันไม่ให้ตะกั่วหลอมเหลวไหลเข้าไปในไวอาเหล่านั้น ถ้าคำตอบคือ "ไม่มีอะไรเลย" แสดงว่าคุณพบปัญหานี้ก่อนที่มันจะทำให้คุณสูญเสียค่าใช้จ่ายในการผลิตจริง นี่คือวิธีแก้ไขที่ถูกที่สุดในอุตสาหกรรมนี้ — และทุกคนสามารถทำได้เพียงแค่ใช้เวลาสาม십วินาทีในการตรวจสอบ