التكلفة العالية لـ "غير قابل للتدمير": دليل للتقوية القابلة للإصلاح

هناك منطق مغرٍ في نهج "الطوب الأسود" في الإلكترونيات الصناعية. تأخذ لوحة دوائر مطبوعة جيدة تمامًا، تضعها في غلاف، وتصب راتنج الإيبوكسي المكون من جزأين فوق التجميع حتى يبدو كأنه أحفورة محاصرة في الكهرمان. يبدو ذلك متينًا. يبدو محميًا. ولنوع معين من الأجهزة — الرخيصة، القابلة للتخلص منها، أو المنتشرة في قاع خندق ماريانا — هو الخيار الهندسي الصحيح. ولكن بالنسبة للدوائر الصناعية عالية القيمة، أو أجهزة القياس الطبية، أو إلكترونيات الطيران للنقل، فإن التغليف الكامل غالبًا ما يكون مجرد اعتراف مكلف بفشل التصميم الميكانيكي.

عندما يفشل وحدة مغلفة بالكامل في الميدان، لا يتم إنشاء تذكرة إصلاح؛ بل يتم إنشاء تقرير خردة. اعتبر دفعة من وحدات التليماتيك المغلفة في مادة يوريثان صلبة مثل Stycast 2651. إذا تطلب خطأ في البرنامج الثابت تغيير شريط الأجهزة، أو إذا تشقق مقاوم 0402 واحد أثناء التدوير الحراري، تصبح الوحدة ميتة فعليًا. لا يمكن للفني ببساطة استبدال المكون. يجب أن يصبح عالم آثار، يستخدم مطحنة دقيقة لطحن مادة التغليف، مستنشقًا الغبار، ومخاطرًا بإتلاف مسارات النحاس مع كل تمريرة للأداة. غالبًا ما تتجاوز تكلفة العمل لاستعادة تلك اللوحة $150 في الساعة، متجاوزة بسرعة قيمة الأجهزة نفسها. يصبح الخيار "المتين" نقطة الفشل الاقتصادي الوحيدة.

لا يتعين عليك ترك اللوحة عارية، مع ذلك. الطريق الأفضل هو التعزيز الانتقائي. الهدف هو فصل الحماية البيئية عن التثبيت الميكانيكي. بالانتقال من استراتيجية "الدفن" إلى "التثبيت"، تحافظ على القدرة على الفحص والاختبار والإصلاح، مما يقلل بشكل كبير من إجمالي تكلفة الملكية طوال دورة حياة المنتج.

فيزياء التعب: اللحام ليس غراءً

العدو الأساسي للإلكترونيات الصناعية نادرًا ما يكون الرطوبة؛ بل هو الاهتزاز. غالبًا ما يركز المهندسون على تصنيفات IP والرطوبة، خوفًا من أن قطرة ماء قد تسبب قصرًا في وحدة التحكم الدقيقة. بينما يحدث ذلك، القاتل الأكثر خفاءً هو تعب المعدن الناجم عن الاهتزاز التوافقي. المكون الثقيل على لوحة الدوائر هو في الأساس كتلة على نابض. "النابض" هو الأطراف النحاسية وموصلات اللحام.

اللحام هو سبيكة معدنية معقدة مصممة لاستمرارية كهربائية، وليس للسلامة الهيكلية الميكانيكية. لديه قوة شد ضعيفة ويتصلب بسرعة تحت الإجهاد الدوري. عندما يتم تثبيت محث حلقي ثقيل أو مكثف إلكتروليتي كبير على اللوحة فقط بواسطة أطرافه، فإنه يخلق ذراع عزم. ضع تلك اللوحة على منصة حفر أو شاحنة توصيل، وسيؤدي الاهتزاز في النهاية إلى تعب الأطراف النحاسية حتى تنكسر بمحاذاة سطح اللوحة. لا يمكن لأي طبقة تغليف مطابقة أن توقف هذا.

في الواقع، يخلط العديد من المهندسين بين حماية الدخول وتخميد الاهتزاز. يطلبون "مقاومة للماء" بينما يحتاجون فعليًا إلى التثبيت الميكانيكي. إذا قام الغلاف بعمله (IP67 أو ما شابه)، فإن الطلاء يحتاج فقط إلى التعامل مع التكثف. العمل الحقيقي هو إيقاف ذلك المحث من الاهتزاز حتى الموت.

انظر إلى نمط الفشل في لوحة تحكم VFD في بيئة عالية الاهتزاز. غالبًا ما ترى كسورًا نظيفة في أطراف المكونات الثقيلة، بينما تظل الأجزاء الخفيفة المركبة على السطح سليمة تمامًا. الفشل ليس عشوائيًا. إنه حساب مباشر للكتلة مقابل صلابة الطرف. إذا كان المكون طويلًا وثقيلًا ومثبتًا بأرجل معدنية رفيعة، فهو قنبلة موقوتة. بدلاً من دفن اللوحة بأكملها في الراتنج، تقوم بربط تلك الكتلة المحددة ميكانيكيًا إلى ركيزة PCB باستخدام لاصق مخصص للعمل.

التثبيت الاستراتيجي: نقاط التثبيت

هنا يدخل "التثبيت" في الصورة — تطبيق لاصق هيكلي على قاعدة أو جوانب المكونات الثقيلة. هذه هي أعلى نشاط من حيث العائد على الاستثمار لتقوية اللوحة. بإضافة حاشية من اللاصق (مثل الأكريليك المعالج بالأشعة فوق البنفسجية أو السيليكون عالي اللزوجة) إلى محيط مكثف ثقيل، تغير الميكانيكا تمامًا. ينتقل حمل الاهتزاز عبر جسم اللاصق إلى صفائح FR4، بدلاً من المرور عبر الأطراف النحاسية الهشة.

غالبًا ما يكون هناك رد فعل تلقائي ضد السيليكون في البيئات الصناعية، وهو بقايا من الأيام التي كانت فيها السيليكونات المعالجة بحمض الأسيتيك تؤدي إلى تآكل النحاس وتسبب انبعاثات متطايرة تلوث جهات التوصيل في المرحلات. هذه المخاوف أصبحت إلى حد كبير قديمة. السيليكونات الحديثة المعالجة بطريقة المعالجة المحايدة، والمخصصة للإلكترونيات (RTVs المعالجة في درجة حرارة الغرفة) ومواد التثبيت المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية مصممة خصيصًا لتجنب هذه المشاكل. خطر عدم استخدامها - مثل انقطاع مكثف ثقيل - أعلى بكثير من خطر التلوث، بشرط اختيار المادة المناسبة.

ومع ذلك، فإن اللصق يعتمد فقط على تحضير السطح. لا يمكنك ببساطة رش المادة اللاصقة على لوحة مغبرة وتوقع أن تثبت. في حالة واحدة تتعلق بمحولات الطاقة الشمسية، ارتفع معدل الفشل في الميدان لأن مصنع التجميع وضع RTV مباشرة فوق بقايا التدفق غير المنظفة. لم يلتصق السيليكون باللوحة؛ بل التزم بالأوساخ على سطح اللوحة. تحت الاهتزاز، تقشر اللاصق، وانفصلت المكثفات. كان فحص بسيط لطاقة السطح - باستخدام أقلام داين أو فقط مراقبة صارمة للعملية - يمكن أن يوفر مئات الآلاف من الدولارات في مطالبات الضمان. القاعدة بسيطة: نظف المكان الذي يوضع فيه الغراء، وتأكد من أن المادة اللاصقة تخلق حاشية تربط جسم المكون بسطح اللوحة. لا تلصق الأطراف نفسها؛ الصق العبوة.

حل وسط BGA: الربط عند الزوايا

تقدم مصفوفات الكرة الشبكية (BGAs) تحديًا فريدًا. في الإلكترونيات المحمولة (الهواتف، الأجهزة اللوحية)، المعيار الصناعي هو التعبئة السفلية الشعيرية (CUF) - وهي إيبوكسي منخفض اللزوجة يتدفق تحت الشريحة بأكملها، مما يثبتها على اللوحة. هذا ممتاز للحماية من السقوط، لكنه كابوس للإصلاح الصناعي. إذا احتاجت BGA إلى استبدال، فإن إزالة شريحة مملوءة بالكامل عادة ما تؤدي إلى تمزق الوسادات وتدمير لوحة الدوائر المطبوعة.

بالنسبة للمعدات الصناعية، حيث يكون الإجهاد الأساسي هو التغير الحراري والاهتزاز بدلاً من السقوط على الرصيف، فإن "الربط عند الزوايا" (أو الربط على الحواف) هو الاستراتيجية الأفضل. بدلاً من ملء الفجوة بالكامل تحت الشريحة، تقوم بوضع مادة لاصقة عالية اللزوجة في الزوايا الأربع لحزمة BGA. هذا يثبت الحزمة على اللوحة، مما يمنع كرات اللحام من التشقق أثناء انحناء اللوحة أو الاهتزاز.

جمال الربط عند الزوايا يكمن في إمكانية فحصه. مع التعبئة السفلية الكاملة، لا يمكنك رؤية ما يحدث تحت الشريحة. قد يكون لديك 30% فراغات في الإيبوكسي تسبب نقاط حرارة، ولن تعرف ذلك إلا إذا قمت بعمل مقطع عرضي مدمر أو تحليل بالأشعة السينية المكلف. مع الربط عند الزوايا، يبقى مركز المصفوفة مفتوحًا. يمكن لبقايا التدفق أن تنبعث أثناء إعادة التدفق دون أن تحاصر (وهي سبب شائع لـ "الفرقعة" في الأجزاء المملوءة جزئيًا). إذا فشلت الشريحة، يمكن للفني قطع الزوايا الأربع من المادة اللاصقة، وإعادة تدفق الجزء، واستبداله دون تدمير الوسادات. تحصل على 80% من الحماية الميكانيكية للتعبئة السفلية مع 100% من إمكانية إعادة العمل.

الكيمياء كميزة لخدمة الصلاحية

بمجرد الانتهاء من العمل الميكانيكي الثقيل باستخدام التثبيت والربط، يمكنك معالجة الحماية البيئية باستخدام الطلاء المطابق. هنا، الكيمياء التي تختارها تحدد قابلية صيانة المنتج. العديد من المهندسين يعتمدون على طلاءات اليوريثان لأنها قوية ومقاومة للمذيبات. لكن اسأل نفسك: هل تريد هل تريد أن يكون الطلاء مقاومًا للمذيبات؟

إذا فشلت اللوحة في اختبار الحرق أو احتاجت إلى إصلاح ميداني، فإن طلاء اليوريثان يشكل عقبة. غالبًا ما يتطلب مزيلات قاسية أو كشطًا ماديًا لإزالته، مما يضر بالمكونات. من ناحية أخرى، فإن الطلاءات الأكريليكية (مثل Humiseal 1B31 أو ما شابه) تذوب بسهولة. يمكن للفني استخدام قلم مذيبات، إذابة الطلاء فوق نقطة اختبار أو مكون معين، إجراء الإصلاح، ثم إعادة الطلاء فقط في تلك المنطقة.

شهدنا هذا يحدث في مصنع تعاقدي في شنتشن، حيث أدى التحول من اليوريثان إلى الأكريليك إلى تحويل كارثة الإنتاج إلى عملية يمكن التحكم فيها. كان بإمكان فنيي إعادة العمل اللحام مباشرة من خلال الطلاء الأكريليكي إذا لزم الأمر (رائحته سيئة للغاية، لكنه يعمل)، أو مسحه في ثوانٍ. تعافى الإنتاج من قرب الصفر إلى أكثر من 95%. ما لم يكن جهازك موجهًا لبيئة تحتوي على تهديدات كيميائية محددة تذيب الأكريليك (مثل أبخرة الوقود أو عوامل التنظيف القاسية)، فإن قابلية صيانة الأكريليك عادة ما تفوق متانة اليوريثانات.

محاكاة إعادة العمل

يبدو أن التحصين مشكلة هندسية، لكنه في الواقع حساب اقتصادي. يجب أن تجري "محاكاة إعادة العمل" في ذهنك خلال مرحلة التصميم. تخيل فنيًا يحمل مكواة لحام عادية ومجهرًا يحاول إصلاح لوحتك. هل يمكنه اختبار نقاط الاختبار؟ هل يمكنه استبدال وحدة التحكم الدقيقة الرئيسية؟

إذا كانت تكلفة قائمة المواد (BOM) للوحة أقل من $50، ربما لا تهتم. قم بتغليفها، وختمها، وإذا تعطلت، ضعها في آلة التقطيع. لكن إذا كانت تكلفة تلك اللوحة $500 أو $2,000، وكانت جزءًا من نظام صناعي حرج، فإن كل حاجز تضعه أمام فني الإصلاح هو مسؤولية. باستخدام التثبيت للكتلة، والربط عند الزوايا لـ BGAs، والطلاءات القابلة لإعادة العمل للسطح، تبني منتجًا ينجو في الميدان لكنه لا يجب أن يموت هناك.