التكلفة الخفية للصمغ "الأبدي": دليل ميداني لاستراتيجية التعبئة السفلية

في عام 2014، واجهت علامة تجارية من الدرجة الأولى في مجال الصوت الاستهلاكي سيناريو كابوسياً في مصنع في بينانج. كان تصميم سماعة رأس جديد وعصري قد بدأ للتو في زيادة الإنتاج، ويتميز بلوحة منطق رئيسية مليئة بمكونات ذات تباعد ضيق. لاجتياز مواصفة اختبار السقوط القاسية، قام فريق الهندسة بتثبيت تعبئة شعيرية "بدرجة خرسانية". كانت هذه الإيبوكسي صلبة ودائمة لدرجة أنها حولت اللوحة فعليًا إلى قالب صلب.

لقد نجح ذلك بشكل رائع في اختبار السقوط. لكن بعد ثلاثة أسابيع من الإنتاج، أرسل مورد BGA دفعة من الرقائق ذات وصلات لحام باردة.

في خط عادي، كنت ستعيد العمل على هذه. كنت ستسخن اللوحة، ترفع الرقاقة، تنظف الوسادات، وتضع مكون $4 جديد. لكن بسبب تلك التعبئة الشعيرية المحددة، كان إعادة العمل مستحيلاً. كان رابط الإيبوكسي أقوى من الطبقة الرقيقة نفسها. كل محاولة لإزالة الرقاقة مزقت وسادات النحاس من قلب الألياف الزجاجية. اضطر المصنع إلى تدمير 12,000 لوحة دوائر مطبوعة مجمعة بالكامل فعليًا—مئات الآلاف من الدولارات في المخزون—لأنهم لم يستطيعوا استبدال مكون معيب واحد.

هذه هي الفخ في التعامل مع التعبئة الشعيرية كحل ميكانيكي بحت. من السهل اعتبار المادة اللاصقة كوثيقة تأمين بسيطة ضد فشل اختبار السقوط. لكن إذا اخترت المواد بناءً فقط على مقاييس البقاء، فأنت تصمم عن غير قصد قنبلة مالية موقوتة. عندما تحدد مادة لا يمكن إزالتها، فأنت تراهن على أن معدل الإنتاج الخاص بك سيكون 100% إلى الأبد. هذه رهان لا ينبغي لأي مهندس مخضرم أن يخوضه.

فيزياء الندم

لاختيار المادة المناسبة، عليك أن تفهم سبب استخدامها. عادةً، الهدف هو حماية مصفوفة كروية (BGA) أو حزمة مقياس الرقاقة (CSP) من الصدمات الميكانيكية. عندما يسقط الجهاز على الأرض، تنحني لوحة الدوائر المطبوعة. الحزمة الصلبة من السيراميك أو البلاستيك للرقاقة لا تنحني. هذا الانحناء التفاضلي يخلق قوة قص هائلة على كرات اللحام، مما يؤدي إلى تشققها. التعبئة الشعيرية تملأ الفراغ بين الرقاقة واللوحة، مما يربطهما معًا بحيث يتحركان كوحدة واحدة.

ومع ذلك، "الأقوى" ليس دائمًا الأفضل. خطأ شائع هو اختيار تعبئة شعيرية ذات معامل يونغ (الصلابة) عالي ومعامل تمدد حراري (CTE) مرتفع لا يتطابق مع اللحام. إذا توسعت التعبئة الشعيرية أسرع بكثير من وصلات اللحام أثناء التغيرات الحرارية—مثلاً، من -40°C إلى 125°C في اختبار السيارات—يمكن للغراء نفسه أن يرفع الرقاقة ميكانيكيًا عن الوسادات. أنت فعليًا تثبت رافعة بطيئة الحركة تحت مكوناتك.

هناك أيضًا ارتباك مستمر في الصناعة بين التعبئة الهيكلية والطلاء المطابق. قد ترى مهندسين يسألون إذا كان بإمكانهم فقط "وضع" طبقة سميكة من الطلاء الأكريليكي أو اليوريثان لتثبيت الرقاقة. هما ليسا نفس الشيء. الطلاء المطابق هو حاجز رقيق ضد الرطوبة والغبار؛ وليس له تقريبًا أي متانة هيكلية ضد قوى الجاذبية الناتجة عن السقوط. التعبئة الشعيرية هي مادة هندسية هيكلية مصممة لنقل الحمل. الخلط بين الاثنين هو طريق سريع للفشل في الميدان.

الهدف ليس تغليف الرقاقة في قبر لا يُقهر؛ بل هو توزيع الإجهاد بعيدًا عن وصلات اللحام دون إدخال إجهادات حرارية جديدة تمزق التجميع.

المحور الاستراتيجي: الربط الشعيري مقابل الربط الحدي

بالنسبة لمعظم الإلكترونيات الاستهلاكية والصناعية، الغريزة الافتراضية هي "التعبئة الشعيرية" (CUF). هذه هي العملية التي يتم فيها توزيع إيبوكسي منخفض اللزوجة على طول حافة الرقاقة، وتقوم الحركة الشعرية بسحبه إلى الأسفل، مملوءًا الفراغ بأكمله. يوفر أقصى ربط ميكانيكي. كما أنه الأصعب في إعادة العمل.

هناك بديل متفوق للعديد من التصاميم: الربط الزاوي، أو "التثبيت".

بدلاً من ملء الفجوة بأكملها، تقوم بتوزيع نقاط لاصقة عالية اللزوجة في الزوايا الأربع لحزمة BGA. هذا يثبت الشريحة على اللوحة، مما يمنع كرات اللحام في الزوايا (التي تفشل دائمًا أولاً) من تحمل الصدمة الناتجة عن السقوط. في تجربة تصميم (DOE) لشركة ناشئة في مجال إنترنت الأشياء الصناعية، قارنّا التدفق الشعري الكامل مع الربط الزاوي لـ FPGA ثقيل. نجت عملية التعبئة الكاملة من 20 سقوطًا من متر واحد. نجت الربطة الزاوية من 18 سقوطًا. كلاهما تجاوز المتطلب المتمثل في 10 سقوطات.

الفرق؟ عندما تسبب خطأ في البرنامج الثابت في تعطيل أول 50 وحدة، كان من الممكن نزع FPGA المرتبط بالزاوية واستبداله في 15 دقيقة. كانت الوحدات المملوءة بالكامل ستصبح خردة. من خلال التضحية بهامش صغير من المتانة النظرية، حصل العميل على خدمة % لا مثيل لها.

تحذير، مع ذلك: لا تحاول الارتجال في الربط الزاوي باستخدام أي أنبوب من الغراء موجود في المختبر. لقد رأيت مهندسين يحاولون استخدام RTV سيليكون (كالسدادة الخاصة بالحمام، أساسًا) لتثبيت المكونات. العديد من RTV السيليكونات تتصلب بإطلاق حمض الأسيتيك، الذي يأكل مسارات النحاس ويتسبب في تآكل وصلات اللحام مع مرور الوقت. إذا كنت ستثبت مكونًا، فاستخدم لاصقًا مصممًا خصيصًا للإلكترونيات—عادةً ما يكون إيبوكسي غير موصل ذو مؤشر ثيكسوتروبي عالي حتى لا ينهار.

المواصفة الوحيدة التي تهم: Tg

إذا قررت أنه يجب عليك استخدام التعبئة الشعيرية الكاملة، يجب أن تركز عيناك فورًا على سطر واحد في ورقة البيانات: درجة حرارة انتقال الزجاج، أو Tg.

Tg هي درجة الحرارة التي يتحول فيها الإيبوكسي من حالة صلبة زجاجية إلى حالة ناعمة مطاطية. هذه هي نافذة إعادة العمل الخاصة بك. لإزالة شريحة مملوءة دون تدمير اللوحة، تحتاج إلى تسخين اللاصق فوق Tg بحيث يلين بما يكفي للانصياع، ولكن مع الحفاظ على درجة الحرارة أقل من النقطة التي تنفصل فيها طبقة اللوحة أو يحدث فيها تسارع حراري في اللحام.

عادةً ما يكون لـ "التعبئة القابلة لإعادة العمل" Tg حوالي 80°C إلى 130°C. هذا يسمح للفني باستخدام محطة هواء ساخن لتسخين المنطقة المحلية، وتليين الغراء، ورفع الشريحة. الإيبوكسيات "الهيكلية" غير القابلة لإعادة العمل غالبًا ما يكون لها Tg يبلغ 160°C أو أكثر. بحلول الوقت الذي يصبح فيه هذا المادة ناعمة بما يكفي للكشط، من المحتمل أنك قد أفسدت لوحة FR-4، ورفعت وسادات النحاس، ودمرت هياكل الفيا.

لا تثق بكلمة "قابل لإعادة العمل" على غلاف كتيب البائع. كل بائع لاصق يدعي أن منتجه قابل لإعادة العمل. ما يقصدونه هو أنه قابل لإعادة العمل. هل لديك آلة إعادة عمل دقيقة $50,000، وثماني ساعات من الوقت، وأيدي جراح. انظر إلى منحنى Tg. إذا ظل المادة صلبة كالصخر حتى 170°C، فهي فعليًا دائمة لأي مركز إصلاح عالي الحجم.

هناك تفاصيل دقيقة هنا—الصيغ القابلة لإعادة العمل ذات Tg المنخفضة يمكن أن تكون أقل استقرارًا على المدى الطويل في بيئات الحرارة العالية (مثل تحت غطاء محرك السيارة). لكن بالنسبة لجهاز لوحي، أو شاشة لوحة القيادة، أو جهاز طبي، فإن المقايضة تكون دائمًا تقريبًا تستحق ذلك. أنا أتجنب عمدًا درس الكيمياء حول أنظمة المعالجة بالأنهيدريد مقابل الأمين، لأنه بصراحة، لا تحتاج إلى معرفة شكل الجزيء لاتخاذ القرار الصحيح. تحتاج فقط إلى معرفة ما إذا كان يمكنك إزالته من اللوحة.

حساب الخردة

في النهاية، التعبئة هي قرار اقتصادي، وليس ميكانيكي فقط. تحتاج إلى إجراء "تدقيق حساب الخردة".

خذ تكلفة لوحة الدوائر المطبوعة المجمعة الخاصة بك. لنفترض أنها لوحة رئيسية $800 لجهاز لوحي طبي. الآن قدّر معدل العيوب لمكون BGA الخاص بك—ربما 2000 جزء في المليون (ppm). إذا استخدمت تعبئة غير قابلة لإعادة العمل، فإن كل واحد من تلك العيوب الـ 2000 لكل مليون يؤدي إلى خسارة $800. أنت ترمي وحدة المعالجة المركزية، والذاكرة، ورقائق إدارة الطاقة، واللوحة نفسها، كلها بسبب وصلة لحام باردة في شريحة $5 واحدة.

في حالة كارثة جهاز لوحي طبي "مشروع أبولو" في 2016، أدى اختيار تعبئة غير قابلة لإعادة العمل على شريحة ذاكرة معيبة إلى التخلص من 4000 وحدة. لم تكن الخسارة مجرد الأجهزة؛ بل كانت اللوجستيات، وتأخيرات مواعيد الشحن، وكابوس الضمان.

إذا استخدمت مادة قابلة لإعادة العمل أو استراتيجية الربط الزاوي، فإن هذا الفشل يكلفك $50 في أجر الفني ومكون جديد. اللوحة تُنقذ. الموثوقية ليست فقط حول ما إذا كان الجهاز ينجو من اختبار السقوط؛ بل حول ما إذا كان عملك ينجو من تباين التصنيع. الدائم يعني الكمال، وفي تصنيع الإلكترونيات، لا شيء يكون مثاليًا أبدًا.