الصراع غير المرئي في تجميع التكنولوجيا المختلطة

يرى المهندس الذي يسعى لتحديث لوحة الدوائر القديمة غالبًا طريقًا واضحًا للمضي قدمًا. من خلال تحديث تصميم ثقب عبر (THT) الكلاسيكي باستخدام مكونات حديثة على السطح (SMT)، يمكن للمنتج أن يكتسب وظائف جديدة ويصغر حجمه. في عالم CAD النظيف ثنائي الأبعاد، يبدو هذا الجمع بسيطًا. ولكن على أرض المصنع، حيث تصبح التصاميم أشياء مادية، يبدأ هذا التحديث البسيط في إثارة نزاع تصنيع عميق.

لوحة مصممة حصريًا للمكونات عبر الثقب تتوقع عملية بسيطة، تكاد تكون ريفية. يتم إدخال المكونات، ثم تمر اللوحة عبر موجة من اللحام المنصهر. ومع ذلك، فإن إدخال SMT ليس إضافة بل تحول كامل في واقع التصنيع. يتطلب غرف نظيفة، وطابعات معجون اللحام، وآلات روبوتية للتجميع واللصق. والأهم من ذلك، يجبر اللوحة على المرور عبر فرن إعادة التدفق، دورة تسخين كاملة للوحة لم تكن مادة الركيزة PCB الأصلية ومكونات THT الصلبة مصممة لتحملها. يسبب هذا التغيير الواحد ضغوطًا قد تشوه اللوحة، وتتسبب في تقشر طبقاتها، وتحول الرطوبة المحتجزة إلى قوة مدمرة. يخلق خيار التصميم هذا سلسلة من المخاطر التي يجب إدارتها من اللحظة التي يُوضع فيها أول وسادة SMT.

التحدي الأساسي: حكاية عالمين حراريين

في قلب كل تجميع بتقنية مختلطة يكمن تصادم أساسي في الفلسفات الحرارية. كل نوع من المكونات تم تصميمه لبيئة لحام مختلفة تمامًا، وإجبارها على التعايش على لوحة واحدة يخلق توترًا جوهريًا هو السبب الجذري لمعظم عيوب التصنيع.

تتوقع مكونات السطح على السطح بيئة مسيطرة وهادئة لفرن إعادة التدفق. يتم تسخين التجميع بالكامل بعناية، ويُرفع إلى درجة حرارة قصوى حوالي 245°C لمدة كافية فقط لإذابة معجون اللحام، ثم يُبرد بدقة مماثلة. يعامل العملية اللوحة ككتلة حرارية موحدة. إنها عملية تتسم بالانتظام والسيطرة.

أما المكونات عبر الثقب، فهي من نوع عملية تسخين موضعية وعدوانية. في لحام الموجة، يتم سحب الجزء السفلي من اللوحة عبر موجة من اللحام المتدفقة، غالبًا عند درجة حرارة أعلى بكثير وهي 260°C. يكون التسخين سريعًا وشديدًا، ومقتصرًا على جانب اللحام. عند إجبار هذين العالمين على الالتقاء، لا توجد خيارات مثالية. إما أن تتعرض اللوحة لعدة دورات تسخين مرهقة، أو تحاول عملية واحدة تدفع مجموعة واحدة من المكونات إلى ما وراء حدودها المقصودة.

التنقل بين التسوية: اختيار تسلسل التجميع

لحل هذا الصراع الحراري، طورت الشركات المصنعة ثلاثة مسارات رئيسية. الاختيار ليس تقنيًا فحسب؛ إنه قرار استراتيجي له عواقب عميقة على التكلفة، وسرعة الإنتاج، والموثوقية النهائية للوحة.

الطريقة الأقدم تتضمن وضع مكونات SMT وإعادة تدفقها أولاً، ثم إدخال أجزاء THT وتشغيل اللوحة بأكملها عبر آلة لحام الموجة. لهذه العملية، فهي سريعة واقتصادية في الإنتاج عالي الحجم. لكنها تأتي بثمن كبير من حيث المخاطر. يجب تثبيت مكونات SMT على الجزء السفلي من اللوحة، ويجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل غمر عنيف في موجة لحام عند 260°C. إنها اختبار قاسٍ لا تصمم العديد من المكونات لتحمله.

نهج أكثر حداثة وأكثر لطفًا يبدأ أيضًا بعملية إعادة التدفق القياسية لـ SMT. بعد ذلك، يستخدم روبوت لحام انتقائي. يتم رش كمية صغيرة من اللحام بواسطة فوهة تستهدف فقط دبابيس THT الفردية. يحافظ هذا على الحرارة المكثفة محلية، ويحمي باقي اللوحة. العملية أكثر أمانًا للمكونات الحساسة، لكن هذا الأمان يأتي بتكلفة. أنظمة الروبوتات تعتبر استثمارًا رأسماليًا كبيرًا، ولأن العملية تسلسلية، وتلحيم كل وصلة على حدة، فهي أبطأ بطبيعتها من لحام الموجة.

المسار الثالث يسعى لتحقيق أقصى كفاءة من خلال عملية إعادة تدفق واحدة. باستخدام تقنية تعرف باسم Pin-in-Paste (PiP)، يتم إدخال مكونات THT ذات التصنيف العالي لدرجة الحرارة في ثقوب تم طبعها بمعجون اللحام، تمامًا مثل وسادات SMT. ثم تمر اللوحة بأكملها، مع كلا النوعين من المكونات، عبر فرن إعادة التدفق مرة واحدة. هذا يلغي خطوة لحام كاملة، لكن نجاحه يعتمد على مستوى من التحكم في العملية يترك مجالًا ضئيلًا للخطأ.

مشكلة الدقة في Pin-in-Paste

يعتمد صلاحية عملية Pin-in-Paste بشكل كامل على متغير واحد وصعب: حجم معجون اللحام. يجب حساب كمية المعجون المطبوع في الثقب بشكل دقيق للغاية. فهي بحاجة إلى أن تكون كافية لملء الفجوة بين طرف المكون والبرميل المطلي للثقب، وهو متطلب يُعرف باسم "ملء البرميل"، مع تشكيل حواف لحام مناسبة على كلا جانبي اللوحة.

هذا يخلق نافذة عملية ضيقة جدًا. القليل جدًا من المعجون يؤدي إلى وصلة ضعيفة مع ملء غير كافٍ، وهو عيب ينتهك معايير الصناعة مثل IPC-A-610، التي غالبًا ما تتطلب تعبئة عمودية تزيد عن 75%. ومع ذلك، يتم ضغط الكثير من المعجون عند إدخال المكون. يمكن أن تتكون هذه الرواسب الزائدة ككرات لحام تنتقل أثناء إعادة التدفق، مما يسبب دوائر قصيرة كارثية. يتطلب تحقيق الحجم الصحيح قوالب مصممة خصيصًا وعملية طباعة ذات تكرار شبه مثالي، مما يجعلها عملية أكثر حساسية بكثير من التجميع القياسي لـ SMT.

عندما لا يكون "جيدًا بما فيه الكفاية": الأشكال المسبقة مقابل Pin-in-Paste

بالنسبة للتطبيقات التي لا يمكن التفاوض على سلامة وصلة THT فيها، مثل الموصلات ذات الكتلة الحرارية العالية في الفضاء أو الأجهزة الطبية، قد يكون خطر العملية باستخدام Pin-in-Paste غير مقبول. هنا، يواجه المصنعون مفاضلة كلاسيكية بين تكلفة العملية والموثوقية المضمونة، مع وزن PiP مقابل بديل: الأشكال المسبقة للحام.

الأشكال المسبقة هي أشكال صغيرة ومصممة بدقة من سبيكة اللحام توضع داخل أو حول الثقوب المارة قبل إدخال المكون. إنها حل مادي، وليست عملية. تضمن حجمًا محددًا ومتكررًا من اللحام لكل وصلة، مما يؤدي إلى اتصالات قوية بشكل استثنائي. المقايضة هي التكلفة والتعقيد. الأشكال المسبقة هي مكون إضافي يجب شراؤه وإدارته ووضعه على اللوحة، مما يضيف تكلفة مادية وخطوة عملية أخرى. يصبح القرار استراتيجيًا. Pin-in-Paste هو حل ذكي للمنتجات الحساسة من حيث التكلفة حيث يكون تباين العملية مخاطرة مقبولة. الأشكال المسبقة للحام هي بوليصة تأمين للتطبيقات ذات الاعتمادية العالية حيث لا يمكن أن تفشل الوصلة.

الواقع ثلاثي الأبعاد لخط المصنع

في الفضاء المجرد لأداة التخطيط، تعتبر لوحة الدائرة الكهربائية سطحًا ثنائي الأبعاد. هذا المنظور هو مصدر الخطأ الأكثر تكرارًا وتكلفة الذي يرتكبه المصممون عند إنشاء لوحة تكنولوجيا مختلطة. ينسون أن معدات اللحام هي آلات ثلاثية الأبعاد تحتاج إلى مساحة مادية للعمل.

أثناء لحام الموجة، يمكن لمكون THT طويل أن يلقي "ظل لحام"، وهو أثر يعيق تدفق اللحام المنصهر من الوصول إلى المكونات الصغيرة على سطح SMT في الأسفل. اعتمادًا على ارتفاع المكون، قد يتطلب ذلك منطقة حظر تبلغ 15 مم أو أكثر. للحام الانتقائي، يحتاج فوهة الروبوت إلى نطاق واضح من 3 إلى 5 مم حول كل دبوس للاقتراب، واللحام، والسحب دون الاصطدام بقطعة مجاورة. وضع مكثف أو موصل طويل داخل هذه المنطقة يجعل اللحام الآلي مستحيلًا. هذا الخطأ البسيط، الناتج عن عقلية ثنائية الأبعاد، يجبر التجميع على أن يتم يدوياً — عملية بطيئة ومكلفة وأقل تكرارًا بكثير، مما يقلل من الأرباح ويعرض الجودة للخطر.

تشريح الفشل

عندما يتم تجاهل الصراعات الحرارية والحقائق الفيزيائية للتجميع المختلط أثناء التصميم، تظهر فئة فريدة من العيوب. هذه ليست المشاكل النموذجية لأي عملية تجميع؛ إنها النتائج المباشرة والمتوقعة لإجبار تقنيتين غير متوافقتين على العمل معًا.

يترك الظل اللحامي الناتج عن مكون THT طويل في عملية الموجة لوحات SMT في الأسفل غير متأثرة تمامًا باللحام، مما يؤدي إلى دائرة مفتوحة. في أماكن أخرى على اللوحة، يمكن أن يكون الصدمة الحرارية لموجة 260°C كارثية لأجزاء SMT الموجودة في الأسفل. يُعرف بأنه يسبب تشققات مجهرية في المكثفات الخزفية ويضر بشكل خفي بالدوائر المتكاملة الحساسة، مما يؤدي إلى فشل غامض في الميدان بعد شهور من شحن المنتج.

حتى المعدات المصممة لحماية اللوحة يمكن أن تصبح مصدر فشل. المادة المركبة المستخدمة في منصات لحام الموجة تعتبر عازلًا حراريًا ممتازًا. بينما تحمي مكونات SMT بشكل فعال، فإنها أيضًا تحجب سخانات الأشعة تحت الحمراء المسبقة. إذا فشل مهندس العملية في تطوير ملف حراري مخصص يأخذ ذلك في الاعتبار، فإن اللوحة تصل إلى موجة اللحام دون أن تكون قد تم تسخينها بشكل كافٍ مسبقًا. يؤدي الصدمة الحرارية الناتجة إلى تدفق لحام ضعيف والعيب ذاته الذي كانت العملية تحاول تجنبه: ملء غير كافٍ للثقب في مكونات THT. مع مرور الوقت، يمكن أن يتسبب الإجهاد المتراكم من هذه الدورات الحرارية القاسية المتعددة في تشويه اللوحة بأكملها، مما يكسر الاتصالات الحساسة لمكونات كبيرة مثل BGAs ويخلق أعطال متقطعة يصعب تشخيصها تقريبًا.

تصميم للتصنيع: تحول في المنظور

الحلول الأكثر فاعلية لهذه التحديات لا توجد في آلات أكثر تقدمًا أو فحوصات معقدة. إنها موجودة في مرحلة التصميم الأولية، من خلال تبني عقلية تتوقع عملية التصنيع من البداية.

حماية الضعفاء

الاستراتيجية الأساسية هي حماية المكونات الحساسة والمكلفة من قسوة عملية لحام THT التي لا مفر منها. يبدأ ذلك بالتخطيط. الممارسة الأكثر موثوقية هي وضع جميع الأجزاء ذات القيمة العالية — المعالجات، وBGAs، ودوائر IC ذات الف pitch الدقيق — على الجانب العلوي من اللوحة. مع إدخال مكونات THT أيضًا من الأعلى، يقتصر كل نشاط اللحام العدواني، سواء كان موجة أو انتقائي، على الجانب السفلي، بعيدًا عن أي شيء هش.

إلى جانب التحديد، يملك المصمم القدرة على تحديد العملية. طلب اللحام الانتقائي في ملاحظات التصنيع هو الطريقة الأكثر أمانًا لحماية التجميع. إذا جعل ضغط الحجم الكبير أو التكلفة لحام الموجة ضرورة، فإن الحل هو التعاون مع المصنع على منصة موجة مخصصة. يتم تصميم هذا القالب بعناية مع جيوب ودرع تعمل كحاجز حراري، تغطي فعليًا مكونات SMT على الجانب السفلي أثناء مرورها فوق الموجة المنصهرة. إنه حل نابع من الخبرة، يعترف بالواقع الفيزيائي لبيئة المصنع ويصممه بناءً عليه، وليس رغم ذلك.