Data publikacji:
Płytka przechodzi inspekcję pasty bez uwag, a po piecu AOI zgłasza mostek między wyprowadzeniami układu w obudowie QFP. Druk był zgodny z programem, więc drukarka nie jest winna. Przyczyna leży dalej: w BOM pojawił się zamiennik o krótszej stopce wyprowadzenia niż ta, pod którą zaprojektowano pad. Ten scenariusz, opisany w pracy zaprezentowanej na IPC APEX EXPO 2017, dobrze pokazuje, jak czytać kontrolę jakości na linii SMT. Każda metoda inspekcji widzi określoną klasę wad, a miejsce wykrycia wady rzadko pokrywa się z miejscem, w którym powstała.
Ten tekst nie opisuje kolejnych etapów linii, bo robi to artykuł o tym, jak powstaje elektronika. Zajmuje się tym, co każdy etap kontroli potrafi wykryć, czego nie potrafi i gdzie szukać przyczyny.
Greg Smith z FCT Assembly, producenta szablonów i materiałów lutowniczych, otwiera swoją pracę z IPC APEX EXPO 2017 zdaniem: „It is commonly accepted that the solder paste printing process causes the highest percentage of yield challenges in the SMT assembly process". W branży krążą też konkretne odsetki wad przypisywanych drukowi. Nie udało nam się ustalić ich pierwotnego źródła, więc ich tu nie powtarzamy.
Inspekcja 3D pasty (SPI) mierzy objętość i położenie każdego depozytu tuż po druku. To najwcześniejszy punkt, w którym linia może zatrzymać płytkę, zanim trafią na nią komponenty. O tym, ile pasty zostanie na padzie, w dużej mierze decyduje geometria otworu szablonu. IPC-7525C (listopad 2021) definiuje współczynnik powierzchni (area ratio) jako stosunek pola otworu do pola jego ścianek. W eksperymencie Smitha, mierzonym produkcyjnym systemem 3D SPI, skuteczność transferu pasty rosła liniowo z tym współczynnikiem. Autor uznał go za najlepszy predyktor uwolnienia pasty, lepszy niż wskaźniki uwzględniające grubość miedzi i wykończenie padów.
Popularny próg 0,66 pochodzi z rewizji B tej wytycznej z 2011 roku, na którą powołuje się Smith. Treści aktualnej rewizji C w tym punkcie nie weryfikowaliśmy. Warto natomiast wiedzieć, jak IPC-7525C określa samą siebie: jako dokument „intended as a guideline only", ponieważ „printing performance depends on many different variables and therefore no single set of design rules can be established". Próg współczynnika powierzchni jest więc punktem wyjścia do własnych pomiarów SPI, a nie kryterium odbioru. Smith pisze to wprost: każdy producent powinien zestawić własne wyniki SPI ze współczynnikiem powierzchni i sam ustalić, jaka skuteczność transferu daje akceptowalne połączenia.
Ograniczenie SPI wynika z jego zasady działania. Maszyna porównuje depozyt z programem utworzonym na podstawie warstwy pasty. Jeśli ta warstwa jest poprawnie odwzorowana na szablonie, ale nie pasuje do komponentu, który faktycznie trafi na płytkę, SPI zgłosi prawidłowy druk.
Ten mechanizm Smith opisuje dla wyprowadzeń typu gull-wing, np. w obudowach QFP. Wyprowadzenie wystawione na konwekcję w piecu nagrzewa się szybciej niż pasta na padzie. Jeśli stopka jest wyraźnie krótsza od padu, pasta topi się najpierw przy stopce i wspina po wyprowadzeniu. Gdy nie może już wejść wyżej, ciekły lut zbiera się wokół stopki, zanim nagrzeje się reszta padu. Przy małym rastrze taka kałuża rozlewa się na sąsiednie wyprowadzenie.
Smith podaje konkretną regułę korekty szablonu. Gdy stopka jest krótsza od padu o 25%, objętość drukowanej pasty należy zmniejszyć o 10%. Przy stopce krótszej o 50% redukcja wynosi 25%, a przy 70% już 40%. Zmniejszony otwór trzeba przy tym wyśrodkować na stopce, a nie na padzie. To zalecenie autora na podstawie jego doświadczeń jako projektanta szablonów, a nie wymaganie normy.
Wniosek dla zakupów i konstrukcji jest mniej oczywisty niż sama reguła. Smith wskazuje jako częstą przyczynę sytuację, w której pad zaprojektowano pod konkretny komponent, a potem zastąpiono go podobnym, o krótszej stopce. Zamiennik w BOM, nawet podobny i zgodny elektrycznie, może więc wymagać zmiany szablonu. SPI tego nie wychwyci, AOI zobaczy dopiero skutek.
Tony Lentz i Greg Smith na SMTA International 2021 omówili całą rodzinę wad polegających na ruchu komponentu w piecu: nagrobek (tombstoning), draw-bridging, bill-boarding i przekoszenie. Dotyczą one głównie małych elementów biernych, a autorzy wymieniają jako przykład rozmiary 1206, 0805 i 0603. Wspólny mechanizm to nierówne siły zwilżania ciekłego lutu na dwóch końcach elementu, wzmacniane różnicą temperatur między padami i błędami układania.
Przyczyny, które autorzy opisują, w większości leżą poza maszyną pick-and-place:
Jako środki zaradcze Lentz i Smith wymieniają pastę o właściwościach ograniczających nagrobkowanie, modyfikację szablonu i dodanie wygrzewania (soak) w profilu, często w kombinacji. Smith w pracy z 2017 roku zaleca otwór w kształcie odwróconej litery U, który odbiera pastę spod zewnętrznej części padu. Zwraca też uwagę na warunek wstępny analizy: potrzebne są warstwy miedzi i maski lutowniczej z plików Gerber, a nie sama warstwa pasty.
AOI wykrywa te wady bez trudu, bo są widoczne. Nie wskaże jednak, która z przyczyn zadziałała. Autorzy odnotowują też, że takie wady zwykle da się naprawić i nie kończą się złomem, ale naprawa kosztuje i opóźnia dostawę.
Obudowy z wyprowadzeniami pod spodem korpusu to osobna kategoria. IPC-7093B ze stycznia 2026 roku, która zastąpiła rewizję A z października 2020, obejmuje komponenty z płaskimi wyprowadzeniami pod korpusem (BTC), takie jak SON, DFN, QFN i LGA, „with or without wettable side terminations or flanks". Zwilżalny bok (wettable side flank) dokument definiuje jako wyprowadzenie obwodowe częściowo pokryte powłoką poprawiającą lutowność.
Z tego rozróżnienia wynika granica możliwości AOI. Spis treści IPC-7093B przewiduje w rozdziale o kontroli produkcyjnej cztery etapy: SPI, AOI, automatyczną inspekcję rentgenowską (AXI) i kontrolę wizualną. Rola AOI jest zilustrowana oceną zwilżenia bocznej ścianki wyprowadzenia, a wykrywanie brakującego lutu pokazano na obrazach rentgenowskich. Połączenie pod korpusem, w tym pod padem termicznym, pozostaje dla kamery niewidoczne. Przy BGA z góry nie widać żadnego połączenia, a zewnętrzny rząd kulek da się obejrzeć najwyżej z boku.
Dla konstruktora płynie z tego praktyczny wniosek. Wybór obudowy BTC ze zwilżalnym bokiem daje AOI powierzchnię, którą może ocenić. Bez niego ocena połączeń takiego elementu spada w całości na rentgen.
Trzeba też pamiętać o statusie tego dokumentu. Rewizja A nosiła tytuł „Design and Assembly Process Implementation…", a rewizja B nazywa się „Design and Assembly Process Guidance…". W zakresie obu rewizji kryteria akceptacji odesłano do J-STD-001 i IPC-A-610. IPC-7093B podpowiada więc, jak kontrolować połączenia BTC, ale nie rozstrzyga, które odrzucić.
Najtrudniejszy przypadek to head-on-pillow. IPC-7095E (sierpień 2024) definiuje go jako połączenie złożone z dwóch metalurgicznie odrębnych mas, powstałych z kulki BGA i przetopionej pasty, które nie połączyły się całkowicie albo wcale. Lars Bruno i Benny Gustafson z Ericssona wskazują jako przyczynę dynamiczne wygięcie obudowy w piecu, szczególnie przy dużych BGA i cienkich obudowach o małym rastrze. Kulka traci wtedy na część procesu kontakt z pastą i topnikiem.
Ich badanie, opublikowane w Journal of Microelectronics and Electronic Packaging w 2019 roku, dobrze pokazuje granice rentgenu. Autorzy celowo wywołali head-on-pillow, najpierw ocenili połączenia na zdjęciach rentgenowskich, a potem oderwali układy i porównali wyniki. Wiele połączeń zakwalifikowanych na rentgenie jako head-on-pillow nie miało po oderwaniu żadnych jego śladów. We wnioskach piszą, że tej wady, przewężenia połączenia i pękniętego połączenia nie da się łatwo odróżnić od siebie na obrazie rentgenowskim. Zarekomendowali, by w kolejnej rewizji IPC-A-610 każde przewężenie w połączeniu BGA traktować jako wadę.
Wynik rentgenowski wskazujący na head-on-pillow jest więc sygnałem do dalszej analizy, a nie werdyktem. Potwierdzenie wymaga metody niszczącej. IPC-7095E wymienia w dokumentach powołanych metodę IPC-TM-650 2.4.53, test barwnikowy z odrywaniem (dye and pull).
Drugie ograniczenie dotyczy kryteriów. IPC-A-610J z marca 2024 roku stwierdza w punkcie 1.1: „This standard does not provide criteria for cross-section evaluation or x-ray inspection. There are x-ray guidelines located in J-STD-001." W aktualnej rewizji J-STD-001J chodzi o dodatek C „X-Ray Guidelines”. Kryterium oceny obrazu rentgenowskiego dobrze jest zatem uzgodnić w umowie, zamiast zakładać, że wynika ono wprost z normy odbiorczej.
Uszkodzenie powstaje w piecu, ale jego przyczyna leży w magazynie i przy stanowisku uzbrajania. IPC/JEDEC J-STD-020F (grudzień 2022) opisuje mechanizm w części wprowadzającej. Ciśnienie pary wodnej wewnątrz niehermetycznej obudowy gwałtownie rośnie w temperaturze lutowania rozpływowego. Skutkiem może być wewnętrzna delaminacja materiałów, pęknięcia wewnętrzne, które mogą, ale nie muszą wyjść na zewnątrz obudowy, a także uszkodzenia połączeń drutowych. W najcięższym przypadku obudowa pęka na zewnątrz ze słyszalnym trzaskiem, stąd nazwa efekt popcorn. Norma zaznacza, że elementy SMD są na to bardziej narażone niż przewlekane, bo lutuje się je po tej samej stronie płytki, po której leżą.
Do wykrywania delaminacji J-STD-020F przewiduje mikroskopię akustyczną. To metoda laboratoryjna, a nie żadna z inspekcji stosowanych na linii montażowej. AOI zobaczy najwyżej pęknięcie, które wyszło na powierzchnię obudowy. Uszkodzenie wewnętrzne może przejść przez całą linię kontroli niezauważone.
Obrona jest więc proceduralna. J-STD-020F nadaje komponentowi poziom wrażliwości na wilgoć (MSL), a IPC/JEDEC J-STD-033D (kwiecień 2018) określa, jak z takim elementem postępować. Obejmuje to torby barierowe, pochłaniacze wilgoci, karty wskaźnikowe wilgotności, dopuszczalny czas ekspozycji w hali (floor life) i wygrzewanie elementów, które ten czas przekroczyły. Skuteczność tego systemu sprawdza się w audycie procedur, a nie na obrazie z kamery.
Zestawienie porządkuje powyższe przypadki. Nie jest to pełny katalog wad montażu SMT, tylko przykłady, na których dobrze widać granice poszczególnych metod.
| Wada | Gdzie zwykle powstaje | Co ją wykrywa | Czego ta kontrola nie rozstrzyga |
|---|---|---|---|
| Niedobór, nadmiar albo przesunięcie pasty | Druk: geometria otworu szablonu, parametry drukarki | SPI | Czy zaprogramowana objętość pasuje do komponentu, który trafi na pad |
| Mostek na wyprowadzeniach gull-wing, którego nie było po druku | Relacja długości stopki do padu, np. po zmianie komponentu na zamiennik | AOI po piecu | SPI przepuszcza płytkę, bo druk był zgodny z programem |
| Nagrobek, draw-bridging, przekoszenie | Geometria padów, szablon, różnica temperatur padów, układanie, profil | AOI po piecu | Która z przyczyn zadziałała |
| Brak lutu pod BTC lub pod padem termicznym | Druk pasty, projekt padów i szablonu | Rentgen (AXI) | AOI ocenia najwyżej zwilżony bok wyprowadzenia |
| Head-on-pillow pod BGA | Wygięcie obudowy w piecu | Rentgen, z ograniczeniami | Odróżnienie od przewężenia i pęknięcia. Potwierdzenie wymaga metody niszczącej |
| Delaminacja i pęknięcia wewnątrz obudowy | Przechowywanie i czas ekspozycji komponentów wrażliwych na wilgoć | Mikroskopia akustyczna w laboratorium | Inspekcje na linii widzą najwyżej pęknięcie zewnętrzne |
Lista maszyn inspekcyjnych mówi o jakości montażu mniej, niż się wydaje. Każda z nich zatrzymuje wadę w innym miejscu, a kilka opisanych przypadków ma przyczynę w projekcie PCB, szablonie albo magazynie. Przy wyborze dostawcy albo przeglądzie procesu warto zapytać o rzeczy, których nie widać w specyfikacji linii:
W EAE Elektronik montaż SMT prowadzimy z inspekcją pasty SPI i inspekcją AOI 3D. Połączenia ukryte pod obudowami sprawdzamy na rentgenie General Electric Microme|x, z obserwacją płytki pod kątem do 70° i opcją tomografii planarnej. Jeśli masz projekt, w którym powtarza się któraś z opisanych wad, albo chcesz przejrzeć layout pod kątem montażu przed produkcją, prześlij dokumentację do wyceny.
Zrób pierwszy krok, napisz lub zadzwoń i porozmawiajmy o Twoim projekcie. Napisz jakie są Twoje oczekiwania. Otrzymasz od nas bezpłatną ofertę oraz wsparcie firmy z 30 letnim doświadczeniem.
uzyskaj bezpłatną wycenę
