الجاذبية لا تُهزم: إدارة مخاطر الانسحاب من الجانب الثاني

صوت سقوط مكون ثقيل من لوحة دارة مطبوعة داخل فرن إعادة التدفق مميز. ليس صخبًا عاليًا؛ إنه مكتوم وميكانيكي تصادم الذي يحدث عادة في المنطقة 6 أو 7، عندما يصل القصدير إلى حالته السائلة. إذا كنت محظوظًا، يسقط الجزء بأمان على أرضية الفرن. وإذا كنت غير محظوظ—وتقترح قوانين الاحتمال أنك ستكون—يهبط على شبكة الحزام الناقل، يسبب انسدادًا لآلية القيادة، أو يشتعل أثناء طهيه في المنطقة الذروية لمدة ساعة.

عندما تجري تجميعًا ذا وجهين، فإنك تطلب من الفيزياء أن تغمض عينيها لمدة ثلاثة دقائق. الجانب العلوي سهل؛ الجاذبية تساعد على تثبيت الأجزاء. لكن عندما تقلب اللوحة للمرة الثانية، تصبح الجاذبية العدو. الشيء الوحيد الذي يبقي مكثفات الطاقة المحصنة عالية الجودة وحزم BGA ملتصقة باللوحة هو توتر سطح القصدير المصهور. تلك علاقة هشة. تعمل بشكل صحيح حتى تطيح كتلة المكون بقوة التبلل التي يوفرها المعدن السائل. ثم تواجه حالة خط يسببها التمزق، وهي حالة لا يمكن لأي تعديل في العملية إصلاحها.

فيزياء قوة التبلل

لفهم سبب بقاء الأجزاء - وبالضبط متى ستتوقف - انظر إلى معركة بين الكتلة وتوتر السطح. عندما يعاد تدفق معجون اللحام على الجانب الثاني، فإنه يسيح. بالنسبة لسبيكة SAC305 القياسية، يكون توتر السطح مرتفعًا بشكل مدهش، حوالي 500 دينار/سم. هذا القوة تعمل مثل زنبرك مجهري، يسحب المكون نحو مركز الحذاء. بالنسبة لمعظم الأجزاء، تكون هذه القوة بمقادير أعلى بكثير من الجاذبية. مكثف 0201 أو حزمة SOIC قياسية لن تذهب إلى أي مكان. فهي خفيفة جدًا مقارنة بمساحة الحذاء الخاص بها بحيث يمكنها أن تتنقل عبر الفرن مقلوبة، جانبياً، أو تهتز بعنف، وستظل تتلاءم تلقائيًا.

تتلاشى تلك الهامش الآمن مع زيادة وزن الأجزاء واحتفاظ مناطق إنهائها بالحجم النسبي الصغير. غالبًا ما يفترض المهندسون أن الجزء الذي يمتلك مساحة قدم واسعة يمتلك منطقة لحام كبيرة. هذا غير صحيح. ربما يكون ملف مغلف عالي الجهد عبارة عن كتلة كبيرة من الفريت والنحاس بحجم 12 مم × 12 مم ويزن 1.5 جرام، ولكنه قد يربط فقط باثنين من الحلقات الصغيرة نسبيًا. عليك التحقق من نسبة Cg/Pa—القوة الجاذبة (Cg) مقابل مساحة الوسادة الكلية (Pa).

هناك مشكلة مستمرة في ورش النماذج الأولية حيث يقترح المهندسون استخدام شريط كابتون لتثبيت هذه الأجزاء في مكانها. لخمسة ألواح، قد تنجو من ذلك، بشرط ألا يترك الشريط بقايا أو ينبعث منه غاز ملوث ويلوث الوصلة. للإنتاج، إنها مسؤولية. يفشل الشريط، ويطبخ اللاصق، ويضيف خطوة إزالتها يدوياً تُعرض المكون لخطر تمزيقه من اللوح بشكل كامل.

قاعدة الصناعة العامة غالبًا ما يُذكر أن حجم اللحام هو حوالي 30 جرام لكل بوصة مربعة من مساحة الوسادة القابلة لللحام. إذا تجاوز حمل المكون هذا، فلن يمسك السطح بالتوتر السطحي ضد الجاذبية. لكن هذا حساب ثابت. لا يأخذ في الاعتبار اهتزاز سير ناقل سلاسل مهترئ أو الحمل الحراري بسرعة عالية في فرن هيلر MKIII. إذا قلت عملية حسابك إنك عند 90% من الحد، فأنت في الواقع عند 110% من الحد الأقصى للمخاطرة بمجرد تطبيق الديناميات الواقعية. إذا كانت الحسابات على الحافة، فإن الجزء سوف يسقط.

التصميم: الحل المجاني الوحيد

أفضل طريقة لمنع الأجزاء الثقيلة من السقوط من الجانب السفلي هي عدم وضعها هناك من البداية. يبدو الأمر واضحًا، ومع ذلك غالبًا ما تصل تصميمات اللوحات إلى أرضية المصنع مع موصلات ضخمة، ومحولات ثقيلة، وBGA كبيرة موضوعة على الجانب الثانوي ببساطة لأنها «تناسب.»

غالبًا ما يكون ذلك فشلًا في التصور. في أداة CAD، اللوحة هي لغز منطقي مسطح ومجرد. في المصنع، هي جسم مادي يتعرض للإجهاد الحراري. مكثف كهربائي إلكتروليتي بسعة 10 مم على الجانب السفلي هو قنبلة توقيت. إذا نقل مهندس التصميم هذا المكثف إلى الأعلى، يختفي المشكلة بلا تكاليف. إذا تركه في الأسفل، فأنتم ملتزمون بتوزيع الغراء مدى الحياة أو شراء الأدوات.

أحيانًا، تجعل قيود الكثافة ذلك مستحيلًا. لا يمكنك أن تضع كل شيء على الجانب العلوي من هاتف ذكي حديث أو وحدة تحكم إلكترونية عالية الكثافة. ولكن هناك هرمية في التوزيع. تمريرات منخفضة الكتلة تذهب إلى الأسفل. تمريرات QFN ذات الملف الشخصي المنخفض تذهب إلى الأسفل. يجب على المكونات الثقيلة والطويلة والمحاكة أن تتنافس من أجل مساحة على الأعلى. إذا كان الجزء الثقيل يجب أن يكون في الأسفل، يجب على المصمم زيادة حجم الوسادة لتعظيم مساحة الترطيب، مما يمنح اللحام سطح توتر أكبر للقبض - مع أن حتى ذلك له حدود قبل أن تبدأ برؤية مشكلات وضع القبور.

وهم اللصق

عندما يتم رفض تغييرات التصميم، تتجه المحادثة حتمًا إلى الغراء. يقول مدير المشروع: "فقط ألصقه"، متصورًا نقطة بسيطة من مادة لاصقة تحل المشكلة. في الواقع، إدخال لاصق SMT (عادة إبوكسي أحمر) هو خطوة يائسة تتاجر بمشكلة ميكانيكية مقابل كابوس كيميائي وعملية.

توزيع الغراء ليس مجانيًا. يتطلب جهازًا مخصصًا أو خطوة مخصصة في دورة التحديد واللصق. تحتاج إلى صمام نفثي أو طابعة ستينسل لتطبيق النقاط. إذا استخدمت قالب ستينسل، لديك الآن متطلبات ستينسل متدرجة - سمك لورق المعجون وسمك آخر للغراء، وهو أمر معقد للطباعة بشكل موثوق. إذا استخدمت موزعًا، فأنت تضيف دورة زمنية. الموزع مثل Asymtek دقيق، لكن الفوهات تتجمع. مدة صلاحية الإبوكسي محدودة. إذا كانت النقطة طويلة جدًا، فإنها تلطخ؛ إذا كانت قصيرة جدًا، فهي لا تلامس جسم المكون.

ثم هناك إعادة العمل. لاصقات SMT هي إبوكسيات ذات حرارة تنصيع مصممة لتحمل درجات حرارة إعادة التدفق 240°C+. تتصلب بقوة. إذا فشل ملف لولبي ملصق في اختبار وظيفة، لا يمكنك ببساطة إذابة اللحام عنه. عليك كسر الرابطة ميكانيكيًا. غالبًا ما يعني ذلك نزع المكون بالقوة، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى تمزيق الوسادات النحاسية مباشرة من لوحة FR4. لم تفقد المكون فقط؛ لقد تخلصت من اللوحة.

هناك أيضًا لبس حول نوع الغراء الذي يجب استخدامه. يبحث الناس في المنتديات عن "غلاء عالي درجة الحرارة"، لكن المواد اللاصقة الاستهلاكية تتصاعد الغاز وتفشل على الفور في فرن إعادة التدفق. يجب أن تستخدم إبوكسيات SMT قياسية صناعيًا (مثل Loctite 3621)، ويجب أن تتصلب. قد يتعارض ملف المعالجة للغراء مع ملف معالجة مصلح اللحام، مما يجبرك على التسوية بين الرباط الفولاذي فقط لتثبيت المادة اللاصقة. إنها مسار مليء بالتكاليف المخفية.

واقعية المنصّة (والضريبة)

إذا تم تجميد التصميم وكانت اللصق خطيرًا جدًا، فإن الحل المهني هو لوحة إعادة تدفق انتقائية (أو جهاز تثبيت). هذا عبارة عن حاملة، عادةً تُصنع من مادة مركبة مثل Durostone أو Ricocel، والتي تثبت لوحة الدوائر المطبوعة. لها جيوب منحت بشكل لتبطين المكونات على الجانب السفلي، وحمايتها من تدفق الهواء وإبقائها من السقوط إذا عادت اللحام.

هذا يحل مشكلة التثبيت فورًا. يتم دعم أو حماية الأجزاء الثقيلة في الأسفل بشكل مادي بحيث لا تصل مرة أخرى إلى درجات حرارة إعادة التدفق. ومع ذلك، فإن اللوحات تقدم "ضريبة حرارية" هائلة. أنت تدخل مادة مركبة ثقيلة في الفرن. تمتص هذه المادة الحرارة.

يمكن أن تزن لوحة التثبيت كيلوغرامًا أو أكثر. عند تشغيل ملفك التعريفي الحراري، ستلاحظ تأثير خافض للحرارة ضخم. قد لا تصل الأجزاء الموجودة على قضبان اللوحة السميكة إلى درجة الحرارة القصوى المطلوبة بين 235°C و245°C. ربما تحل مشكلة ملف الملف اللولبي الساقط فقط لإنشاء عيوب "رأس في الوسادة" على الـ BGA العلوي لأنه لم ينهار بشكل كامل. لإصلاح ذلك، يجب رفع درجات حرارة الفرن أو إبطاء سرعة الناقل للسماح بامتصاص الحرارة. هذا يقلل من إنتاجيتك (الوحدات في الساعة) ويخاطر بتسخين المكونات الحساسة التي ليست محمية بواسطة اللوحة.

ثم هناك صدمة الأسعار. تكلفة لوحة إعادة تدفق انتقائية جيدة تتراوح بين $300 و $800. لست بحاجة إليها؛ أنت بحاجة إلى 50 أو 100 لملء حلقة الفرن. فجأة، إن إبقاء هذا المُدخل الثقيل على الجانب السفلي يكلف $30,000 في أدوات التصنيع قبل أن تبيع وحدة واحدة.

مسار القرار

الجاذبية ثابتة. فهي لا تهتم بجدول مشروعك أو بقيود ميزانيتك. عندما تنظر إلى BOM يحتوي على أجزاء ثقيلة من الجانب السفلي، لديك ثلاثة خيارات، ويجب أن تتخذها بالترتيب التالي:

1. مراجعة التصميم: اكافح لتحريك الأجزاء الثقيلة إلى الأعلى. استخدم نسبة Cg/Pa لإثبات لفريق التصميم أن الجزء سيقوم سيقع. أظهر لهم الحسابات.
2. شراء اللوحات: إذا كان التصميم مجمدًا، فخصص ميزانية للتثبيتات. تقبل بوقت الدورة والصعوبة في التصنيف الحراري. هذه هي الطريقة الوحيدة القوية لإدارة الإنتاج الكمي للأجزاء الثقيلة من الجانب السفلي.
3. الغراء كملاذ أخير: فقط إذا لم تتمكن من استخدام اللوحات (لسبب التوفر أو الميزانية) ولا يمكنك تغيير التصميم، يجب أن تنظر في استخدام إحقان الإيبوكسي. افهم أنك ت zwiększ rate in your scrap rate and rework difficulty permanently.

لا تثق بالأمل. لا تثق بـ "أنه استمر على النموذج الأولي". ثق في كتلة الجزء، ومساحة الوسادة، والقوة التي لا تلين للجاذبية.