القاتل الخفي: لماذا تفشل اللوحات "الناجحة" في الميدان

من المحتمل أنك وقفت على أرضية الإنتاج، ونظرت إلى صينية من لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) التي تم تصنيعها حديثًا، وفكرت أنها تبدو مثالية. كانت وصلات اللحام لامعة ومشرقة. كانت الحواف تلبي معايير IPC-A-610 الفئة 3 البصرية. حتى أن مدير الجودة سلمك تقريرًا يقول إن الدفعة اجتازت اختبار النظافة. ومع ذلك، بعد ثلاثة أشهر، تعود تلك اللوحات نفسها من الميدان معطلة، أو تعمل بشكل متقطع، أو تستنزف البطاريات بسرعة ثلاثة أضعاف ما تسمح به ورقة المواصفات.

هذه هي المفارقة المركزية في تصنيع الإلكترونيات الحديثة: يمكن أن تكون اللوحة خالية من العيوب بصريًا و"مطابقة" للمعايير الصناعية، لكنها كيميائيًا مقدر لها أن تتعفن.

عندما يفشل نظام عالي الموثوقية بشكل متقطع — النوع من العوائد "لا يوجد عطل تم العثور عليه" التي تتلاشى في اختبار على الطاولة لكنها تظهر مجددًا في بيئات رطبة — نادرًا ما يكون السبب هو أثر مكسور أو شريحة تالفة. إنه في الغالب غير مرئي. إنه تلوث أيوني محاصر في ظلال اللوحة، تحت المكونات حيث لا يمكن لأي عين بشرية أو كاميرا رؤيته. أنت لا تحارب عيب تصنيع تقليدي. أنت تحارب الفيزياء. وإذا كانت استراتيجيتك تعتمد على الفحص البصري أو متوسطات النظافة الشاملة، فإن الفيزياء ستنتصر.

فيزياء التسرب

لفهم سبب حدوث هذه الأعطال، عليك التوقف عن التفكير في "النظافة" كصفة جمالية وبدء التفكير فيها كمواصفة كهربائية. بقايا الفلوكس، الناتج الثانوي لعملية اللحام، ليست مجرد أوساخ. إنها كوكتيل كيميائي يصبح موصلًا تحت الظروف المناسبة.

الآلية بسيطة وقاسية. معظم الفلوكسات الحديثة مصممة لتكون "لا تحتاج إلى تنظيف"، مما يعني أن بقاياها من المفترض أن تكون غير ضارة. في غرفة خوادم جافة ومتحكم في مناخها، غالبًا ما تكون كذلك. لكن بقايا الفلوكس هي مادة تمتص الرطوبة؛ تمتص الرطوبة من الهواء. عندما تجمع تلك الرطوبة مع الأملاح الأيونية في البقايا وتطبق جهدًا كهربائيًا عبرها، فإنك تخلق خلية كهروكيميائية.

يتسرب التيار. قد يبدأ في نطاق النانو أمبير — صغير جدًا بحيث لا يسبب قصرًا كهربائيًا حادًا، لكنه كافٍ لإحداث فوضى في الدوائر الحساسة. إذا كنت تصمم جهاز إنترنت الأشياء أو زرعًا طبيًا، فهذا هو المكان الذي يذهب إليه ميزانية الطاقة الخاصة بك للموت. قد تلوم بائع البطارية لأن جهازك استمر ستة أشهر بدلاً من عامين، لكن البطارية كانت سليمة. كانت اللوحة ببساطة تستهلك حملًا طفيليًا عبر فيلم موصل من الفلوكس الرطب، مما ينزف النظام ببطء.

في السيناريوهات الأكثر عدوانية، يتطور هذا التسرب إلى هجرة كهروكيميائية. تذوب أيونات المعدن عند الأنود وتهاجر نحو الكاثود، مكونة هياكل تشبه السرخس تُسمى الدندريتات. لقد رأيت هذه الدندريتات تنمو تحت الطلاء الواقي في أجهزة الاستشعار عالية الجهد المستخدمة على منصات النفط. ظن المهندسون أن الطلاء سيحمي اللوحة، لكنهم طلوها فوق سطح متسخ. لم يغلق الطلاء الرطوبة؛ بل حبس الملوثات الأيونية ضد اللوحة، مكونًا بيتًا زجاجيًا مضغوطًا لنمو الدندريتات. في النهاية، تقشر الطلاء، وبدأ ينتفخ مع إطلاق التفاعل للغاز، وأدى ذلك إلى قصر في المستشعر. الطلاء ليس لاصقًا لعملية متسخة. إذا لم يكن السطح محايدًا كيميائيًا أولاً، فالطلاء هو مجرد مضاعف قوة للفشل.

مغالطة المتوسطات (لماذا مات اختبار ROSE)

لعقود، اعتمدت الصناعة على اختبار ROSE (مقاومة مستخلص المذيب) لاكتشاف هذه المشاكل. تغمس اللوحة في محلول، تقيس التغير في المقاومة، وتحصل على رقم يمثل متوسط نظافة التجميع. إذا كان أقل من 1.56 ميكروغرام/سم² من مكافئ NaCl، فإنك تجتاز.

هذه الطريقة قديمة جدًا. تم تطويرها لتقنية الثقوب من خلال اللوحة حيث كانت المكونات كبيرة، والمسافات واسعة، وكان سائل التنظيف قادرًا على غسل السطح بأكمله بسهولة. تطبيق ROSE على لوحة حديثة عالية الكثافة مزودة بمكونات QFN (مربعة مسطحة بدون أرجل) ومكونات 0201 السلبية أسوأ من عديم الفائدة؛ إنه خطير.

انظر إلى الهندسة. اختبار ROSE يحسب متوسط التلوث عبر كامل مساحة سطح اللوحة. قد يكون لديك لوحة نقية تقريبًا بدون تلوث في كل مكان، لكن تركيزًا هائلًا من الفلوكس النشط محاصر تحت QFN واحد بـ 48 دبوسًا. لأن الاختبار يحسب هذا الارتفاع كمتوسط عبر اللوحة بأكملها، يبدو الرقم النهائي منخفضًا. تحصل على "نجاح" في التقرير. في الوقت نفسه، ذلك الـ QFN جالس في بركة من الهاليدات، ينتظر أول يوم رطب ليحدث قصرًا.

الحدود القياسية غالبًا ما تكون موروثة من عصر أقل حساسية بكثير. قد تكون قيمة 1.0 ميكروغرام/سم² مناسبة لمحمصة خبز، لكن لرادار سيارات يعمل بترددات عالية، أو منظم ضربات القلب الذي يستشعر إشارات ميكرو فولت، فهي كارثية. الاعتماد على متوسط شامل لاعتماد تصميم عالي الكثافة يشبه فحص متوسط درجة حرارة مستشفى لتحديد ما إذا كان مريض واحد يعاني من حمى. إنه يخفي الواقع المحلي.

التحقيقات المحلية: الحقيقة الوحيدة

إذا لم تتمكن من قياس التلوث محليًا، فأنت تخمن. لضمان الموثوقية في التصاميم ذات التسرب المنخفض للغاية، يجب أن تنتقل من المتوسط الكلي إلى التحليل الجنائي المحلي باستخدام أدوات مثل C3 (التحكم الحرج في النظافة) أو الكروماتوغرافيا الأيونية المحلية (IC).

العملية جراحية. بدلاً من غسل اللوحة بأكملها في دلو، تستخدم هذه الأنظمة فوهة صغيرة لتوزيع حجم دقيق من سائل الاستخلاص على مكون محدد — لنقل، ذلك QFN المشبوه أو مجموعة ضيقة من BGAs. يجلس السائل هناك، مذيبًا البقايا المحاصرة بين الوسادات، ثم يُشفط مرة أخرى ويُحلل.

النتائج غالبًا ما تكون صادمة. لقد قمت بتدقيق خطوط الإنتاج حيث أظهر اختبار ROSE الكلي قيمة مريحة تبلغ 0.2 ميكروغرام/سم²، لكن الاستخلاص المحلي على دائرة إدارة الطاقة كشف عن مستويات أقرب إلى 15 ميكروغرام/سم² من الكبريتات والبروميد. هذه هي الدليل القاطع. هذا هو الفرق بين منتج موثوق واستدعاء ميداني.

تحتاج أيضًا إلى التحقق من المستقبل، وليس الحاضر فقط. هنا يأتي اختبار مقاومة العزل السطحي (SIR). يستخدم SIR عينات اختبار بنمط مشط مصمم لمحاكاة هندسة لوحتك. تخضع هذه العينات للحرارة والرطوبة والانحياز الكهربائي لأسابيع (غالبًا أكثر من 500 ساعة). إذا انخفضت المقاومة، فأنت تعلم أن عمليتك — الفلوكس، الغسل، والخبز — تخلق مسارًا موصلًا.

عند تحليل هذه النتائج، أنت لا تبحث عن "الأوساخ" العامة. أنت تبحث عن أيونات محددة. الكلوريدات والبروميدات هي القتلة العدوانيون عادةً ما تأتي من منشطات الفلوكس. الكبريتات غالبًا ما تأتي من شطف ماء الصنبور أو تغليف الكرتون. قد يأتي الصوديوم من عرق الإنسان. معرفة ما هي موجودة على اللوحة يخبرك أين انهارت العملية.

كيمياء الندم

غالبًا ما يتطلب حل هذا نقاشًا صعبًا حول الفلوكس "الخالي من التنظيف". المصطلح التسويقي "خالي من التنظيف" هو واحد من أكثر الخدع نجاحًا في تاريخ الإلكترونيات. يوحي بـ "اتركه وشأنه وسيكون على ما يرام." اسم أكثر دقة سيكون "بقايا منخفضة، مخاطرة عالية."

بالنسبة للألعاب الاستهلاكية أو المنطق الرقمي القياسي في بيئات جافة، "خالي من التنظيف" كافٍ تمامًا. لكن للدارات عالية الموثوقية والمنخفضة التسرب، تلك البقايا هي عبء. المشكلة أنك لا تستطيع فقط شطف لوحة "خالية من التنظيف" بالماء. هذه الراتنجات مصممة لتكون غير قابلة للذوبان في الماء. إذا غسلتها بماء DI نقي، غالبًا لا تزيلها؛ بل تذيب جزئيًا الحامل وتترك رواسب بيضاء موصلة أسوأ بكثير من البقايا الأصلية.

لتنظيف لوحة حديثة، تحتاج إلى الكيمياء. تحتاج إلى مواد صابونية - عوامل تنظيف مصممة تتفاعل مع بقايا الفلكس لجعلها قابلة للذوبان في الماء، مما يسمح بشطفها من تحت تلك المكونات ذات الارتفاع المنخفض. عليك أن تحارب فخ الهندسة. إذا كان ارتفاع المكون 25 ميكرون، فإن الماء بتوتر سطحه العالي (72 داين) سيجد صعوبة في اختراق تلك الفجوة. تحتاج إلى سائل تنظيف بتوتر سطح أقل وعملية غسل تضيف طاقة ميكانيكية (رذاذ أو موجات فوق صوتية) لإجبار السائل على الدخول، والأهم من ذلك، سحب النفايات للخارج.

الاعتمادية خيار

دائمًا ما يكون هناك صوت في الغرفة يعارض هذا. سيقولون إن الاختبار المحلي بطيء جدًا، أو أن إضافة دورة غسل مع مواد صابونية مكلفة جدًا. إنهم يحسبون الأمور بشكل خاطئ.

هم يحسبون تكلفة السائل ووقت الماكينة. يتجاهلون تكلفة الضرر على السمعة عندما يفشل منتجك الرائد في المناطق الاستوائية. يتجاهلون تكلفة إرسال مهندسين إلى موقع العميل لاستكشاف خطأ "شبح" يختفي عند تشغيل التكييف. الفيزياء لا تتفاوض مع جدول إنتاجك. إذا تركت أيونات على اللوحة، وأعطيتها مسارًا وانحيازًا، فسوف تتحرك. الخيار الوحيد لديك هو إزالتها قبل مغادرة اللوحة للمصنع، أو الانتظار حتى تقتل المنتج في يد العميل.