الفيلم غير المرئي: لماذا "النظافة الكهربائية" قاتلة بصريًا

من المحتمل أنك وقفت في غرفة مؤتمرات، تحدق في شاشة جهاز عرض تُظهر صورة ضبابية ومنخفضة التباين من وحدة خرجت للتو من خط الإنتاج. اجتازت الاختبارات الكهربائية. اجتازت الفحوصات الوظيفية. اللوحة تعمل، والمستشعر يبدأ، وتتدفق البيانات. ومع ذلك، تبدو الصورة كما لو تم تصويرها من خلال نافذة متسخة.

رد الفعل الفوري من قسم المشتريات هو لوم بائع الزجاج على طلاء معيب أو مصنع المستشعر على دفعة سيئة. ولكن إذا كنت تنظر إلى وحدة بصرية مختومة — سواء كانت وحدة LIDAR أو كاميرا سيارات أو منظار طبي — فإن الجاني نادراً ما يكون الزجاج. إنه الكيمياء الخفية التي تحدث على بعد خمسة مليمترات على لوحة الدائرة المطبوعة.

الفجوة بين "نظافة كافية للإلكترونات" و"نظافة كافية للفوتونات" هي المكان الذي تذهب إليه ملايين الدولارات من المخزون للموت. في تصنيع الإلكترونيات القياسي، تُعرف النظافة بالمقاومة. إذا لم يترك البقايا على اللوحة توصيلاً كهربائياً عبر الوسادات، تُعتبر اللوحة نظيفة. هذا هو منطق بروتوكولات IPC-610 وJ-STD-001 القياسية.

البصريات، مع ذلك، لا تهتم بالمقاومة؛ بل تهتم بالتطاير. يمكن أن يكون البقايا التي لا تؤثر كهربائياً نشطة كيميائياً، تنتظر محفزاً لتتطاير من اللوحة وتعيد ترسيب نفسها على أبرد سطح قريب. في غلاف مختوم، يكون هذا السطح دائماً الجانب الداخلي لعدستك.

غالباً ما تشخص فرق البرمجيات الثابتة هذا خطأً كضوضاء المستشعر. يقضي المهندسون أسابيع في تعديل خوارزميات ISP، وزيادة مستويات الأسود، أو محاربة ضوضاء النمط الثابت التي تبدو وكأنها تنجرف مع مرور الوقت. إذا رأيت ضوضاء ترتبط بدرجة حرارة الجهاز أو وقت التشغيل، توقف عن البرمجة. أنت لا تحارب الكسب. أنت تحارب طبقة مادية من الضباب المتبلمر الذي تكثف مباشرة على العدسات الدقيقة لمستشعر CMOS الخاص بك. لا يمكن لأي كمية من الشفرة تنظيف ملوث مادي.

كيمياء الحجرة المختومة

الفاعل الأساسي في هذه الدراما هو التدفق "بدون تنظيف". الاسم نفسه هو واحد من أخطر المفاهيم الخاطئة في سلسلة التوريد البصرية. "بدون تنظيف" لا يعني "بدون بقايا"؛ بل يعني أن البقايا المتبقية غير متآكلة وآمنة كهربائياً للبقاء على اللوحة. في بيئة مفتوحة، مثل جهاز التوجيه للمستهلك، هذا مقبول. تتطاير الغازات المتطايرة في الغرفة، وتبقى المواد الصلبة في مكانها.

لكن الوحدة البصرية هي نظام بيئي مغلق. عندما تغلق لوحة الدائرة المطبوعة داخل غلاف IP67، تخلق مناخاً دقيقاً.

فكر في الفيزياء عندما تعمل تلك الوحدة. تسخن المعالجات ودوائر إدارة الطاقة. يتوسع الهواء داخل الغلاف، ويرتفع ضغط البخار. يبدأ بقايا التدفق "الحميد" على وصلات اللحام — وبشكل خاص منشطات البروميد وحوامل الراتنج — في إطلاق الغازات. لا يحتاج إلى الغليان؛ فقط يحتاج إلى التسامي. تطفو هذه الجسيمات المجهرية عبر التيارات الحرارية الداخلية للغلاف.

في النهاية، تتوقف الوحدة عن العمل. يبرد الغلاف. تبرد نافذة الزجاج، كونها أرق حاجز للعالم الخارجي، أولاً. يتكثف البخار على ذلك الزجاج البارد، مكوناً ضباباً غالباً ما يكون غير مرئي للعين المجردة لكنه معتم للليزر أو المستشعر.

لقد رأينا هذا يحدث في بيئات عالية المخاطر، مثل وحدات LIDAR للشاحنات الذاتية القيادة. قد تجتاز الوحدة كل اختبار على أرض المصنع، ولكن بعد تشغيل مستمر لمدة 200 ساعة، تتكون طبقة حليبية على النافذة. غالباً ما تكشف التحاليل الطيفية الكتلية أن هذا ليس عيباً في طلاء الزجاج، بل طبقة من راتنج التدفق المتبلمر الذي هاجر من وصلة لحام "نظيفة" على بعد بوصات. هذا ليس فشلاً في أداء التدفق لوظيفته. إنه فشل المهندس في فهم أن الوحدة البصرية المختومة هي فعلياً غرفة تقطير.

يحاول بعض المهندسين حل هذه المشكلة عن طريق تطبيق طبقة طلاء متوافقة، على افتراض أن ختم اللوحة سيحبس الشوائب. غالبًا ما يؤدي هذا إلى نتائج عكسية. إذا قمت بتغطية لوحة لم يتم تنظيفها كيميائيًا من البقايا، فأنت في الأساس تحبس الرطوبة والمذيبات ضد الطبقة الرقيقة. عندما تسخن اللوحة، تتمدد هذه المواد المتطايرة، مما يخلق فقاعات أو انفصال الطبقات. والأسوأ من ذلك، أن الطلاء نفسه قد ينبعث منه غازات إذا لم يتم معالجته بشكل صحيح. لا يمكنك حبس الأوساخ؛ عليك إزالتها.

الحرارة هي المدعي العام

البقايا صبورة. يمكن أن تبقى بلا ضرر على اللوحة لأشهر، لتسبب فشلًا ميدانيًا فقط عند تغير الفصول. لهذا السبب لا يُعتبر التدوير الحراري خيارًا للمنتجات البصرية. إذا كنت تختبر جودة الصورة فقط في درجة حرارة الغرفة في المختبر، فأنت لا تتحقق من صحة المنتج. أنت تتحقق فقط من خمولها.

غالبًا ما يبدو نمط الفشل مثل "الظلال" أو التركيز الناعم الذي يظهر فقط في البيئات الحارة — مثل كاميرا أمنية مثبتة في فينيكس في يوليو — ويختفي عندما تبرد الوحدة. هذه هي علامة البقايا المتحركة. عند 60 درجة مئوية، تنخفض لزوجة بعض بقايا الفلوكس، مما يسمح لها بالزحف. بدلاً من ذلك، تزيد الحرارة من معدل انبعاث الغازات بشكل أُسّي. بحلول الوقت الذي تعيد فيه الوحدة إلى مختبر تحليل الفشل، قد تكون البقايا قد تجمدت مرة أخرى أو تكون المواد المتطايرة قد تشتتت، مما يتركك بنتيجة "تعذر التكرار".

يجب أن تضغط على النظام لرؤية الأوساخ. يعمل التدوير الحراري كعملية شيخوخة متسارعة للتلوث، مما يجبر الهجرة التي كانت ستستغرق ستة أشهر لتحدث على أن تتم في ستة أيام. إذا لم تكن تقوم بتشغيل وحدات التأهيل البصرية الخاصة بك من خلال دورة من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية أثناء مراقبة جودة الصورة، فأنت تحلق في الظلام.

مفارقة الغسيل

الرد المنطقي على مشكلة "عدم التنظيف" هو مطالبة الشركة المصنعة المتعاقد معها (CM) بغسل اللوحات. تقول "فقط مررها عبر المنظف المائي".

هنا يفتح الفخ الثاني. غسل اللوحة مخاطرة عالية؛ إذا قمت به بشكل غير صحيح، فقد تكون في وضع أسوأ مما لو تركتها متسخة.

تخيل نظام غسيل خطي قياسي. يرش ماءً ساخنًا وصابونًا كيميائيًا (مزيل شحوم) على اللوحة لإذابة الفلوكس، ثم يشطفها بماء منزوع الأيونات، ويجففها بسكاكين هوائية. يبدو مثاليًا. لكن امشِ في مصنع متعاقد في سوتشو أو غوادالاخارا وانظر إلى خزان الغسيل. إذا كان مدير الخط يقلل التكاليف، فقد يكون ذلك الخزان مشبعًا بالفلوكس المذاب. يصبح حمامًا من الماء القذر، يرش لوحاتك بمحلول مركز من الملوثات التي تحاول إزالتها.

عندما تمر اللوحة بغسيل متسخ، أو إذا لم تتم مراقبة ماء الشطف من حيث العكارة، تحصل على بقايا أكثر خبيثة من الفلوكس الأصلي. الصابونيات لها توتر سطحي منخفض؛ تحب الزحف تحت المكونات ذات الارتفاع المنخفض مثل BGAs أو QFNs. بمجرد أن تحاصر هناك، لا تستطيع السكاكين الهوائية تجفيفها. ينتهي بك الأمر إلى تجمع من الوحل الموصل مخفي تحت المعالج الرئيسي. مع مرور الوقت، يسبب هذا نموًا شجيريًا — شعيرات معدنية تنمو بين الوسادات وتسبب قصرًا كهربائيًا.

هذا يؤدي إلى لعبة لوم "العدسة المعيبة". ترى بقعة على الصورة وترفض دفعة بائع العدسات. لكن إذا فككت الوحدة، قد تجد أن "الفطر" على العدسة هو في الواقع شعيرة نمت من جيب محاصر من المنظف، هاجرت عبر سطح لوحة الدوائر المطبوعة واقتحمت المسار البصري. خزان الغسيل المشبع يودع أوساخًا أكثر مما يزيل، ويودعها في الأماكن التي لا يمكنك تنظيفها.

إعادة تعريف "النظافة" للبصريات

لحل هذه المشكلة، عليك التوقف عن الاعتماد على العكازات الصناعية القياسية. معيار IPC-610 الفئة 3 هو معيار جودة الصنع، وليس معيار نظافة بصرية. سيخبرك إذا كانت وصلات اللحام لامعة وإذا كانت مكوناتك مستقيمة. لكنه لن يخبرك إذا كانت اللوحة ستغيم عدستك.

تحتاج إلى الانتقال من الاختبار الشامل إلى الاختبار المحلي. المعيار الصناعي للنظافة هو اختبار ROSE (مقاومة مستخلص المذيب)، الذي يغمس اللوحة بأكملها في محلول ويقيس مقدار انخفاض المقاومة. يعطيك درجة نظافة متوسطة لكامل السطح. هذا عديم الفائدة للبصريات. يمكنك أن تمتلك لوحة نظيفة تمامًا مع بقعة ثقيلة من الفلوكس بجانب مستشعر الصورة مباشرة. اختبار ROSE يعمم تلك البقعة إلى صفر، لكن المستشعر يراها كفشل كارثي.

الحل هو تحديد "النظافة البصرية" في ملاحظات الرسم الخاصة بك. هذا يعني المطالبة باختبار الكروماتوغرافيا الأيونية (IC) المحلي على المناطق الحرجة المحيطة بالمستشعر. يعني تحديد الحدود المسموح بها الدقيقة لأيونات محددة — الكلوريد، البروميد، الكبريتات — بدلاً من "نجاح/فشل" عام. يعني تدقيق عملية الغسيل لضمان نشاط حساسات العكارة وتغيير كيمياء الغسيل بناءً على حجم اللوحات، وليس فقط الأيام التقويمية.

لا يمكنك الاعتماد على "العملية القياسية" لحماية نظامك البصري. العملية القياسية مصممة لأشياء لا ترى. إذا كنت تريد صورة واضحة، عليك معاملة لوحة الدوائر المطبوعة ليس فقط كدائرة، بل كمكون بصري بحد ذاته.