فيزياء "لوح الموز": لماذا تنحني لوحات الدوائر المطبوعة الطويلة وكيفية إصلاحها

أنت تقف عند مفكك التحميل لفرن إعادة التدفق ذو 10 مناطق، تراقب شريط LED بطول 600 مم أو لوحة تحكم صناعية طويلة تخرج من النفق. وسط اللوحة يترهل بشكل واضح، وربما حتى يحتك بحزام الشبكة. أو الأسوأ، تبدو اللوحة مسطحة للعين المجردة، لكن اختبار الوظيفة يفشل. الموصلات في الأطراف البعيدة بها دبابيس مفتوحة، أو تظهر دوائر مفتوحة في BGAs المركزية.

الغرائز الفورية في معظم المصانع هي لوم ملف الحرارة. المنطق يبدو سليمًا: إذا لم يكن اللحام يبلل أو كانت الوصلات تتشقق، فمن المؤكد أن إعدادات الفرن خاطئة. تتصل بمهندس العملية. يقومون بتركيب ثيرموكوبل، ويبطئون سرعة الحزام لـ "نقعه لفترة أطول"، ويرفعون درجة الحرارة القصوى بمقدار 5 درجات مئوية.

هذا هو "فخ الملف". إنه الخطأ الأكثر شيوعًا في استكشاف أخطاء تركيب السطح (SMT) للمجموعات طويلة الشكل.

إذا كانت اللوحة تشوه جسديًا—تلتوي مثل رقائق البطاطس أو تترهل مثل أرجوحة—فلن يصلح أي تعديل في الهواء ذلك. لا يمكنك الخروج من تأثير الجاذبية باستخدام ملف حرارة. لا يمكنك استخدام "منطقة النقع" للتفاوض مع معامل التمدد الحراري (CTE). عندما تفشل لوحة طويلة فقط عند الأطراف أو المركز الميت، يكون ملف الفرن عادة بريئًا. الجاني هو ميكانيكي.

تأثير الشريط ثنائي المعدن

لحل التشوه، توقف عن التفكير في اللوحة كوصلة كهربائية وتعامل معها كطبقة ميكانيكية. لوحة الدوائر المطبوعة هي في الأساس شطيرة من الإيبوكسي المقوى بالألياف الزجاجية (FR4) ورقائق النحاس. هذان المادتان تكرهان بعضهما البعض عند التسخين.

يتوسع FR4 بمعدل محدد (يقاس بوحدة جزء في المليون/درجة مئوية). يتوسع النحاس بمعدل مختلف. على لوحة طويلة وضيقة، يخلق هذا الاختلاف توترًا داخليًا هائلًا. لكن المشكلة الحقيقية تبدأ عندما يكون التكديس غير متوازن.

اعتبر لوحة ذات 4 طبقات قياسية. إذا كانت الطبقة 1 مغطاة بتتبع إشارات كثيفة والطبقة 4 هي صب أرضي نحاسي صلب، فقد أنشأت شريطًا ثنائي المعدن. مع ارتفاع درجة حرارة اللوحة إلى 245 درجة مئوية كدرجة ذروة لإعادة التدفق، الجانب الذي يحتوي على المزيد من النحاس يقيد التمدد، بينما الجانب الغني بالراتنج يريد أن ينمو. النتيجة هي انحناء أو التواء.

هذا يختلف عن "التقويم"، حيث يقف مكون صغير مثل 0402 على أحد طرفيه. على عكس التقويم، الذي يحركه قوى البلل وسحب اللحام غير المتساوي، فإن التشوه هو فشل هيكلي حيث تتحرك الركيزة نفسها. إذا رأيت اللوحة تلتف عند الزوايا، فليست مشكلة بلل؛ إنها تخطيط النحاس يقاتل الألياف الزجاجية، والنحاس هو الفائز.

الجاذبية وانتقال الزجاج

العدو الثاني هو المادة نفسها. كل طبقة FR4 لها درجة حرارة انتقال زجاجية (Tg). تحت هذه الدرجة، يكون الراتنج صلبًا وزجاجيًا. وفوقها، يصبح الراتنج ناعمًا ومطاطيًا ومرنًا.

بالنسبة للمواد "عالية Tg" القياسية، يحدث هذا الانتقال عند حوالي 170 درجة مئوية. ومع ذلك، لا يبدأ معجون اللحام SAC305 في الذوبان حتى 217 درجة مئوية. هذا يعني أنه في الجزء الأكثر حساسية من عملية إعادة التدفق — الـ 60 إلى 90 ثانية التي تقضيها فوق درجة السائل — تكون لوحة الدائرة الخاصة بك فعليًا مثل نودلز مبللة.

إذا قمت بتشغيل لوحة بطول 600 مم وسمك 1.0 مم أو 1.6 مم فقط، ودعمتها فقط على الحواف على قضبان الناقل، فإن الجاذبية تتغلب. يلين الراتنج عند 170 درجة مئوية، تفقد اللوحة صلابتها الهيكلية، وينهار المركز إلى الأسفل.

غالبًا ما يحاول المهندسون التبديل إلى سبائك لحام منخفضة الحرارة (مثل BiSn، التي تذوب عند 138 درجة مئوية) لتجنب ذلك. بينما يحافظ ذلك على درجة الحرارة تحت Tg لبعض المواد، فإنه يؤدي إلى وصلات هشة ولا يحل مشكلة نقص الصلابة الأساسية. إذا كانت المسافة واسعة بما فيه الكفاية، ستتغلب الجاذبية حتى على مادة عالية Tg. ستنحني اللوحة، وتفيض المكونات المركزية باللحام أو تتصل جسريًا، وتلتوي الموصلات القريبة من القضيب إلى الداخل.

مسرح الجريمة غير المرئي

الجزء الأكثر إحباطًا في العيوب الناتجة عن الانحناء هو أن الدليل يختفي بحلول الوقت الذي تراه فيه.

عندما تكون اللوحة داخل الفرن عند 245 درجة مئوية، قد تكون مقوسة لأعلى (تعبير عبوس) بمقدار 2 مم. في هذه الحالة، قد يتم رفع مكون BGA في المركز تمامًا عن وسائده. تذوب كرة اللحام، لكنها معلقة في الهواء، لا تلمس المعجون على لوحة الدائرة المطبوعة. تتأكسد وتشكل طبقة.

ثم، عندما تدخل اللوحة منطقة التبريد، يتصلب الراتنج مرة أخرى. تعود اللوحة إلى شكلها المسطح الأصلي. تسقط كرة BGA على الوسادة، لكن الوقت يكون قد فات. لقد تجمد اللحام بالفعل. تستقر الكرة على الوسادة مثل الرأس على الوسادة. تتصل ماديًا، لكنها لا تخلق رابطة كهربائية.

هذا هو العيب الكلاسيكي "الرأس على الوسادة" (HiP). في محطة الاختبار، تضغط على الشريحة وتنجح. تتركها، وتفشل. تبدو الأشعة السينية جيدة لأن شكل الكرة دائري. فقط عندما تقوم بالاختبارات التدميرية، مثل "الصبغة والفصل" أو تحليل المقطع العرضي، ترى الفجوة المجهرية. حدث العيب عند درجة الحرارة القصوى، لكن اللوحة تبدو بريئة في درجة حرارة الغرفة.

العلاجات الميكانيكية (الإصلاح الحقيقي)

نظرًا لأن المشكلة ميكانيكية، يجب أن يكون الحل ميكانيكيًا. لا يمكنك إصلاح نقص الصلابة بواسطة ملف تعريف اللحام. تصلحه بإضافة دعم.

الحل الأكثر فعالية للوحة المنحنية هو دعم مركز اللوحة (CBS). تقدم معظم أفران إعادة التدفق الحديثة (من بائعين مثل Heller، BTU، أو Rehm) هذا الخيار. إنها سلسلة رقيقة أو سلسلة من الدبابيس على نمط فرامل الانتظار تمتد على طول مركز النفق بالضبط. تدعم وسط اللوحة فعليًا، مما يمنع الانحناء.

إذا كان فرن إعادة التدفق الخاص بك يفتقر إلى CBS، أو إذا منعت المكونات على الجانب السفلي استخدام السلسلة، يجب عليك استخدام منصة إعادة التدفق.

المنصة هي تثبيت مصنوع من مادة مركبة مثل Durostone أو Ricocel. هذه المواد مكلفة — يمكن أن تتراوح تكلفة التثبيت المخصص بين $300 و$800 حسب التعقيد [[VERIFY]] — لكنها مستقرة حراريًا. لا تنحني عند 260 درجة مئوية. تضع لوحة الدائرة الهشة داخل المنصة الصلبة، وتحملها المنصة عبر الفرن بشكل مسطح.

غالبًا ما يتردد المديرون بسبب التكلفة. يقولون: "إنها مادة استهلاكية إضافية". "تضيف كتلة حرارية، لذا علينا إبطاء الخط." هذا صحيح. لكن قارن تكلفة تجهيز $500 مع تكلفة إتلاف 20% من دورة إنتاج لوحات التحكم الصناعية عالية القيمة. عادةً ما يُقاس العائد على الاستثمار على منصة بالنظر إلى أيام، وليس شهور.

تخفيفات التصميم

إذا كنت محظوظًا بما يكفي لتكون مشاركًا قبل تصميم اللوحة، يمكنك مكافحة الالتواء في المراحل المبكرة. أقوى أداة في مجموعة أدوات المصمم هي "سرقة النحاس" أو الموازنة.

تأكد من أن كثافة النحاس متماثلة تقريبًا عبر التراكم. إذا كانت الطبقة العلوية تحتوي على 80% من تعبئة النحاس، يجب أن تكون الطبقة السفلية مشابهة. إذا كان لديك منطقة مفتوحة كبيرة بدون مسارات، أضف شبكة من مربعات النحاس العائمة (السرقة) لموازنة إجهاد معامل التمدد الحراري. هذا يمنع تأثير الالتواء المعدني الثنائي.

تلعب التوزيعة المتساوية للألواح دورًا أيضًا. ترك الكثير من المادة على قضبان الانفصال يمكن أن يعمل كمعزز — أو كمسبب للإجهاد، اعتمادًا على حبيبات الألياف الزجاجية.

الحكم

عندما ترى لوحة طويلة تفشل عند الأطراف أو المركز، أوقف الخط. لا تلمس درجات حرارة المنطقة. لا تبطئ سرعة الحزام.

اسأل نفسك: هل هذه اللوحة مسطحة؟ قس الانحناء. انظر إلى توازن النحاس. تحقق من تصنيف Tg للرقاقة. إذا كانت اللوحة تنحني، فأنت بحاجة إلى تجهيز أو دعم مركزي. الفيزياء لا تُهزم في عملية SMT. عليك دعم اللوحة، لأن الراتنج بالتأكيد لن يدعم نفسه.