Взгляд в игольное ушко: какие дефекты открывает рентген на печатных узлах QFN, SON, DFN и QFP

Мы продолжаем изучать дефекты, которые можно встретить при рентген-контроле качества печатных узлов. В первой части статьи Александр Патутинский, технолог по подготовке и запуску печатных плат в производство, систематизировал дефекты BGA-корпусов. Кроме них, рентген-снимки могут показать дефекты таких корпусов, как QFN (Quad Flat No-lead), SON (Small Outline No-lead), DFN (Dual Flat No-lead) и QFP (Quad Flat Package), в том числе с термопадами. Далее Александр разберет эти случаи, как стандартные, так и более редкие, чтобы никакие результаты рентген-исследования не смогли ввести вас в заблуждение.

Типичные дефекты

В первой части статьи разберем типичные дефекты, которые чаще всего находят при рентген-контроле.

Несоответствие компонента посадочному месту

Этот дефект — следствие ошибки тополога, закупки или входного контроля. Также он может возникнуть из-за некорректной замены исходного компонента.

А здесь работа с несоответствующим, но менее критичным компонентом в корпусе SOT-23 увенчалась успехом:

Несоответствие посадочного места корпусу может возникнуть, если несколько посадочных мест стремятся объединиться в одно. На снимке были объединены пады ближнего (нижнего) ряда с разных посадочных мест:

В итоге некоторые пады запаялись — припой смог к ним притянуться. Но большинство нет, так как сначала припой смочил контактную площадку и высоты капли припоя оказалось недостаточно для контакта с выводами разъема. Возможно, большее усилие при установке компонента на PnP-установщиках решило бы эту проблему. Но для этого технолог, отвечающий за установщики, должен знать о таких особенностях топологии, что, к сожалению, случается редко.

Сдвиг компонента

Такие дефекты чаще возникают при установке компонентов. Слишком высокая скорость переноски компонента, не подходящая для конкретного типа корпусов, или использование насадок с меньшим диаметром сопла, чем требуется, может привести к тому, что компонент провернется в захвате до установки. Еще одна возможная причина — слишком раннее отключение вакуума в насадке, что может привести к падению компонента на печатную плату.

Смещение хорошо просматривается по нижнему ряду контактных площадок и площадок компонента. В правой части мы получаем недостаток припоя и отсутствие контакта.

К сдвигам компонента также может привести неправильно разработанное посадочное место. Если пады слишком большие по отношению к выводам компонента, при оплавлении припоя компонент получает свободное место, куда может сдвинуться.

Еще одна причина сдвига/всплытия компонентов с термопадами — избыточное количество пасты, нанесенное через трафарет. Так бывает из-за ошибок в конструировании апертур трафарета и/или в выборе его толщины. В итоге оплавленный припой на термопаде приподнимает компонент и не позволяет сигнальным контактам зацепиться по периметру компонента — по крайней мере, всем контактам на каждой из сторон.

К сдвигам компонента могут привести вибрации самого́ конвейера, а также вибрации при установке мелких компонентов на пасту с плохими клеящими свойствами. Поэтому мелкие компоненты принято ставить до микросхем, а современные производители установщиков уделяют конвейерным вибрациям отдельное внимание.

Неправильное заполнение отверстия под монтаж ТН-компонентов (through hole)

Стандарт IPC-A-610 закрепляет минимальное заполнение отверстий припоем на уровне 75% и в отдельных случаях — от 50%. В последнее время дефекты заполнения встречаются все чаще: из-за увеличенной теплоемкости современных многослойных печатных плат, бессвинцовых припоев с худшей смачиваемостью и недочетов в топологии, таких как отсутствие или недостаточный зазор термобарьеров.

Плохая смачиваемость

Этот дефект может возникнуть, если паяльную пасту неправильно, слишком долго хранили или передержали на трафарете, что привело к истощению флюса. Другая причина — загрязнение спаиваемых поверхностей и/или наличие их окислов при использовании недостаточно активного флюса в пасте. Обратите внимание, как припой не затек под выводы на верхних пинах слева:

В QFN-, DFN-, SON-корпусах о наличии окислов может сигнализировать большая капля припоя на контактной площадке за пределами компонента. При хорошей смачиваемости это явление говорит о слишком больших апертурах трафарета.

Непропай

К отсутствию паяного соединения, непропаю, могут привести разные условия. Многие из них связаны с паяльной пастой:

• Из-за уменьшения высоты отпечатка уменьшается объем паяльной пасты, и из-за слишком тонкого трафарета возникает недостаток припоя.

• Уменьшение площади отпечатка привело к сужению апертуры. Через узкую апертуру плохо наносятся паяльные пасты 1–2 класса по J-STD-005, с минимальным диаметром шарика припоя от 45 мкм.

• Слишком толстый трафарет провоцирует застревание пасты в апертуре, что приводит к отсутствию отпечатка. Это значит, что адгезия пасты к внутренним стенкам апертуры оказалась больше, чем к печатной плате.

• Слишком большая апертура в сочетании с мягким ракелем (65–80 единиц твердости по Шору) приводит к вычерпыванию пасты ракелем из апертуры трафарета.

• Забивка отверстия из-за незакругленной формы апертур при редкой протирке трафарета может привести к недостатку или отсутствию паяльной пасты на контактной площадке.

Среди других возможных причин непропая:

• Сдвиг компонента из-за недостаточного усилия при установке.

• Перекос компонента при вдавливании в пасту вследствие его неправильного захвата, вдалеке от центра масс.

• Истощение паяльной пасты — нарушение режимов и/или сроков хранения, установленного времени на трафарете.

• Завышенный термопрофиль, из-за которого активность флюса заканчивается до оплавления. В итоге контактные площадки и выводы микросхем окисляются больше, чем необходимо.

В целом к непропаям может привести любая неточность в нанесении пасты, установке компонентов и оплавлении. Суровая правда жизни.

На трех фото ниже красным обозначены непропаянные пады и выводы. Синим обведен контур, указывающий хорошую пайку:

Еще несколько интересных фото для тех, кто работает с рентгеном не первый год:

Короткое замыкание (КЗ)

Предпосылки для КЗ возникают на уровне паяльной пасты. Возможные причины дефекта:

• Паста со слишком мелким зерном (5 или 6 тип).

• Печать с зазором между печатной платой и трафаретом.

• Загрязнение трафарета пастой, редкая протирка трафарета.

• Недостаточная стойкость к осадке пасты или слишком высокий градиент в зоне преднагрева до стабилизации.

• Выдавливание пасты при избыточном усилии в ходе установки компонента на печатную плату.

Пустоты

Хотя допустимая доля пустот, согласно IPC-A-610, регламентирована только для BGA-компонентов, некоторые производители микросхем в QFN- и QFP-корпусах указывают в даташитах допустимый уровень пустот на термопадах. Появление пустот в паяном соединении — вполне естественный процесс: флюсу требуется пространство, а плата может выделять газ, если набрала влагу. Тем не менее избыточное количество пустот ухудшает теплоотвод.

Для уменьшения количества пустот некоторые RnD-центры рекомендуют использовать прорези в термопадах — специальные газоотводные каналы. Слой меди с газоотводными каналами выглядит так:

Представленный footprint тонко намекает на необходимость переходного отверстия по центру термопада и апертуры в виде треугольников (четыре или восемь) в трафарете.

Интересные случаи

Рассмотрим теперь менее распространенные варианты дефектов.

КЗ с непропаями

Такое бывает не только на «попкорне» BGA-компонентов. Попкорн может случиться и с менее технологичными корпусами. На фото ниже по левой стороне сверху видны очертания контактных площадок, на которых вообще нет припоя. По правой же стороне – КЗ. Причем есть выводы, на которых припоя явно недостаточно, а есть и те, что запаяны вполне сносно.

PressFit

В PCBA-индустрии рентген используется в основном для контроля паяных соединений или контрафакта, но его можно использовать и для поиска отклонений в PressFit-соединениях. Чаще всего PressFit-компоненты имеют выводы в форме игольного ушка, которое запрессовывают внутрь металлизированного отверстия. Когда ушко распирает внутри отверстия, возникает электрический контакт.

В идеальном мире ушко должно равномерно сжаться, войти в стакан отверстия и равномерно расшириться в нем, но в реальности все может пойти не так.

Такие неравномерности запрессовки можно находить на рентгене. Это задача «со звездочкой», поскольку нужно подобрать нужный ракурс и при этом отделить «шум» коннекторов.

Для начала приведем несколько примеров качественной запрессовки. Игольное ушко без асимметричных деформаций, одно пятно контакта с каждой стороны стакана. Пятна контактов игольного ушка и стакана ТН находятся на одном уровне.

Пример запрессовки, когда перед прессованием компонент был установлен неровно или отверстие ТН оказалось неподходящим. Диаметр отверстия меньше нижней границы допуска или сверло не соответствовало рекомендациям даташита.

Неожиданные выводы

Как часто вам попадаются компоненты, у которых есть выводы, не отмеченные на footprint? Наверняка нечасто. А если это сразу два полноценных ряда выводов, которых нет на рекомендуемом в даташите посадочном месте? Нам попались такие компоненты, и поначалу было непонятно, как это сканировать рентгеном и куда вообще смотреть.

Хорошо запаянный компонент выглядит на рентгене так:

Отмеченные красным выводы присутствуют на корпусе снизу, но в footprint компонента для них нет никаких вскрытий. Оплавление и брызги припоя при кипении флюса нередко приводили к КЗ именно этих неучтенных выводов.

Приведу пару примеров, когда КЗ избежать не удалось.

Разъемы SEAF

Серию высокоскоростных разъемов SEAF выпускает компания Samtec. Интересно, что вывод разъема уже «из коробки» снабжен зарядом/запасом припоя (solder charge).

Ниже на рентгеновских снимках незапаянных выводов четко виден этот предустановленный прямоугольник припоя, который должен был расплавиться и облудить пин. И в итоге мы должны были получить хорошее паяное соединение — то есть круглое при взгляде сверху.

Забыли запаять

Однажды при ремонте печатного узла необходимо было снять запаянный разъем. Его выпаяли и после необходимого ремонта вставили обратно. А повторно запаять забыли. Бывает и такое в повседневной практике… к счастью, редко. Попробуйте отдать такой дефект рентгенологу и посмотреть на его заключение и реакцию 🙂

Вывод: изучайте компоненты

В завершение хотелось бы сказать: каким бы опытным ни был рентгенолог, всегда найдется новый мудреный компонент со своими «приколами и фишками». Так что закопаться в даташиты и пересмотреть по возможности кучу 3D-моделей от производителя — это нормально. Можно даже отпаять компонент или запросить незапаянный прямо из упаковки, чтоб оценить его вживую. Вдруг в вашей печатной плате пады под BGA восьмиугольные? 

Иногда полезно посмотреть и на голые компоненты. Это даст вам более обширное представление о них и поможет спрогнозировать возможные дефекты. Важно сделать максимум, чтобы понимать, как выглядит сам компонент, его посадочное место, какие дефекты вы можете встретить и как они выглядят.

Дефектам, которые можно обнаружить при рентген-контроле узлов в BGA-корпусах, Александр посвятил первую часть статьи.