فشل "الشبح": لماذا تخرج موصلات الضغط من المصنع بعد مغادرتها

لقد رأيت التقرير. تُظهر بيانات خط الإنتاج اللون الأخضر في جميع الجوانب. كانت كل منحنيات قوة الإدخال ضمن المواصفات. كانت فحوصات الاحتفاظ في نهاية الخط تتطلب القوة القياسية البالغة 30 نيوتن لفك الدبوس. وقع مدير ضمان الجودة، وتم تغليف المنصات، وغادر الحاوية الرصيف. ومع ذلك، بعد ثلاثة أشهر، تتراكم العائدات الميدانية. يبلغ العملاء عن فقدان متقطع للطاقة، أو إعادة تعيين المستشعرات، أو موصلات خرجت فعليًا من لوحة الدوائر المطبوعة.

هذه هي "الفشل الشبح" في عالم التوصيلات. إنه أمر محبط لأنه، في لحظة التجميع، كان المنتج مثاليًا. قالت ورقة البيانات إن الدبوس يناسب الثقب. أكدت آلة الإدخال أن القوة كانت اسمية. لكن الفيزياء لا تتوقف عندما يُغلق الصندوق بشريط لاصق. إذا كنت تعتمد على التحقق في درجة حرارة الغرفة للتنبؤ بسلوك دبوس مرن على مدى خمس سنوات من التمدد الحراري، فأنت لا تختبر الموثوقية؛ بل تختبر الحظ. آلية الفشل ليست الإدخال. إنها الحرب الخفية بين الدبوس، والبرميل النحاسي، والتوسع والانكماش المستمر للمواد أثناء النقل والتشغيل.

فيزياء التخلي

لفهم سبب سقوط الدبوس، انسَ الاحتكاك. فكر في الطاقة المخزنة. يعمل الوصل بالضغط لأنك أجبرت نابضًا مرنًا (الدبوس) على الدخول في برميل صلب (الثقب المطلي). يضغط الدبوس، مخزنًا طاقة كامنة. تدفع هذه الطاقة الجدران النحاسية، مكونة "القوة العمودية" التي تولد الاحتكاك وختمًا كهربائيًا محكم الغاز. في اليوم الأول، تكون هذه القوة في ذروتها. المعدن نابض، والنحاس جديد، والقبضة محكمة.

لكن المعدن ليس صلبًا ثابتًا؛ إنه يتدفق. مع مرور الوقت، وتحت ضغط وحرارة عالية، يبدأ الهيكل الذري لدبوس النحاس وطلاء لوحة الدوائر المطبوعة في إعادة ترتيب نفسه لتخفيف ذلك الإجهاد الداخلي. هذا هو استرخاء الإجهاد. تخيل شحنة من وحدات التحكم الصناعية تُرسل عبر الشحن البحري من صيف رطب في تايوان إلى مستودع في دبي. داخل تلك الحاوية، يمكن أن تتغير درجات الحرارة بسهولة بين 20 درجة مئوية ليلاً و60 درجة مئوية أو أكثر نهارًا. لمدة أربعة أسابيع، تُخبز تلك الموصلات.

عند 60 درجة مئوية، تتسارع عملية الاسترخاء. يبدأ سبيكة النحاس للدبوس (خاصة إذا كانت من درجة أقل مثل النحاس الأصفر بدلاً من البرونز الفسفوري عالي الأداء أو النحاس البيريليوم) في الانحناء. إنه "ينسى" شكله الأصلي ويسترخي إلى الشكل المضغوط. عندما يبرد الجهاز أخيرًا، لا يعود الدبوس إلى وضعه بقوة مماثلة. القوة العمودية - الشيء الوحيد الذي يمسك الموصل في مكانه ضد الاهتزاز - قد انخفضت. ربما بدأت بـ 40 نيوتن من الاحتفاظ، ولكن بعد شهر في "فرن حاوية الشحن"، قد تنخفض إلى 15 نيوتن. الاحتكاك اختفى، وفي المرة الأولى التي تسقط فيها الرافعة الشوكية المنصة، تسحب العزم القوي لحزمة الكابلات الثقيلة الموصل.

لكن ليس كل حركة فشلًا. قد تحرك الغلاف البلاستيكي وتشعر بحركة "تأرجح" طفيفة. غالبًا ما يثير هذا الذعر في ضمان الجودة، لكن الغلاف ليس آلية الاحتفاظ؛ واجهة الدبوس مع الثقب هي كذلك. الغلاف البلاستيكي يطفو؛ يجب تثبيت الدبابيس. ومع ذلك، إذا تحولت حركة التأرجح إلى تحرك الدبابيس نفسها داخل الثقب المطلي، ينكسر الختم المحكم الغاز. يبدأ التأكسد فورًا، يرتفع المقاومة، وتبدأ الأعطال المتقطعة.

الحرب الباردة: عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE)

إذا كانت الحرارة ترخي النابض، فالبرودة تكسر القفل. العدو الخفي الثاني هو معامل التمدد الحراري (CTE). كل مادة تتمدد وتنكمش بمعدل مختلف. يحتوي الألياف الزجاجية FR4 في لوحة الدوائر المطبوعة على معامل تمدد حراري يتراوح تقريبًا بين 14-17 جزء في المليون/درجة مئوية في المحور Z. يحتوي الغلاف البلاستيكي PBT أو النايلون للموصل على معامل تمدد حراري يمكن أن يكون أعلى بثلاث إلى أربع مرات.

تخيل مجموعة عدادات في مركبة متوقفة في الخارج خلال شتاء إسكندنافي. تنخفض درجة الحرارة إلى -30 درجة مئوية. يرغب الغلاف البلاستيكي للموصل في الانكماش بشكل كبير. ترغب لوحة الدوائر في الانكماش، لكن بدرجة أقل بكثير. ينكمش الغلاف البلاستيكي، مما يسحب الدبابيس. وبما أن الدبابيس مثبتة في اللوحة، فإن هذا يخلق حمل قص هائل. يحاول الغلاف حرفيًا تمزيق الدبابيس جانبياً أو سحبها من الثقوب.

في نظام مصمم جيدًا، يمتص المنطقة المرنة للدبوس هذا الإجهاد. ينثني. لكن إذا كان الدبوس صلبًا جدًا، أو إذا كانت قوة الاحتفاظ قد أضعفت بالفعل بسبب استرخاء الإجهاد، يفوز الغلاف. يسحب الدبابيس من الثقوب. هذا هو السبب في كثير من الأحيان لرؤية موصلات تبدو "مائلة" في العائدات الميدانية. لم تبدأ هكذا. تم إخراجها تدريجيًا، مليمترًا بمليمتر، مع كل دورة حرارية لتسخين المحرك وتبريده.

المتغير الخفي: الثقب

يهتم المهندسون بالدبوس. يجادلون حول السبيكة—C7025 مقابل C5191—وشكل "عين الإبرة". لكنهم نادرًا ما يفحصون الثقب. في كثير من الحالات، يكون الدبوس جيدًا، لكن اللوحة كانت محكومًا عليها بالفشل من البداية.

المواصفات لثقب الضغط محكمة للغاية - تحملات +/- 0.05 مم على حجم الثقب النهائي. لكن الأهم من القطر هو سلامة الطلاء. قد يتطلب لوح IPC-6012 من الفئة 2 قياسًا متوسطًا يبلغ 20 ميكرون من النحاس في البرميل. لكن الطلاء ليس موحدًا أبدًا. عند "الركبة" في الثقب - الزاوية حيث يلتقي البرميل بالسطح - قد يكون الطلاء أرق بسبب توزيع كثافة التيار أثناء التصنيع.

إذا قام بائع لوحات الدوائر المطبوعة بتشغيل حمام الطلاء بسرعة كبيرة لتوفير المال، تحصل على تأثير "عظم الكلب" حيث يكون النحاس سميكًا عند الأطراف ورقيقًا في الوسط، أو نحاس هش يتشقق تحت الضغط. عندما تدفع دبوس الضغط في ثقب ذو طلاء هش أو رقيق، لا يضغط القسم المرن فقط؛ بل يمزق النحاس من جدار الألياف الزجاجية. لقد دمرت السلامة الميكانيكية للمرساة قبل أن يغادر الجهاز المصنع. يشعر الدبوس بالضيق في البداية لأنه محشور في نسيج الزجاج، لكن الزجاج يتدفق تحت الضغط (الزحف) أسرع بكثير من المعدن. امنحه بضعة أسابيع من الاهتزاز، وسيصبح ذلك الدبوس مرتخيًا.

الإصلاحات الخاطئة واللاصقات الخطرة

عندما يدرك الإنتاج أن دفعة من الموصلات فضفاضة، يكون الغريزة إصلاحها على الفور. السؤال الأكثر شيوعًا - والأكثر خطورة - هو: "هل يمكننا فقط لحام هذه الدبابيس ذات الضغط لتثبيتها؟"

هذا هو "لاصق اللحام"، وعادة ما يجعل الأمور أسوأ. دبابيس الضغط هي نوابض دقيقة. تعتمد على صلابة المعدن للحفاظ على تلك الطاقة المخزنة التي ناقشناها. إذا تعرضت تلك النابض لحرارة حمام اللحام الموجي (260 درجة مئوية أو أكثر)، فإنك تقوم بتليين المعدن. تليّن النابض. قد تحصل على لحام عند القاع، لكنك دمرت التوتر الداخلي الذي يخلق الختم الغازي المحكم داخل البرميل. علاوة على ذلك، يمكن أن يتسرب الفلكس من عملية اللحام إلى منطقة التلامس، مما يسبب التآكل لاحقًا. ما لم يكن الدبوس مصممًا خصيصًا كـ "هجين" (وهو نادر)، أبقِ موجة اللحام بعيدًا عنه.

الخطوة الثانية الشائعة في اليأس هي إعادة العمل. "المشغل لم يثبتها بالكامل. هل يمكننا إخراجها وضغط واحدة جديدة؟" الجواب هو غالبًا لا. اتصال الضغط هو حدث ميتالورجي يحدث مرة واحدة فقط. الإدخال الأول يشوه النحاس بلاستيكيًا في الثقب. يقوي البرميل. إذا ضغطت دبوسًا جديدًا في نفس الثقب، ستكون قوة الاحتفاظ أقل بنسبة 40-50% من المرة الأولى. لم يعد للنحاس "مرونة" متبقية؛ سيتشقق أو يفشل في الإمساك. ما لم يكن لديك وصول إلى "دبابيس إصلاح" كبيرة الحجم (وهي كوابيس لوجستية للتخزين)، فإن الإدخال الفاشل يعني عادة التخلص من اللوحة.

التحقق الذي يتنبأ بالفشل فعليًا

لا يمكنك الاعتماد على ورقة البيانات لإنقاذك. مواصفات قوة الاحتفاظ للبائع تعتمد على ثقوب مثالية محفورة في مختبر، وليس على اللوحات المنتجة بكميات كبيرة التي تشتريها فعليًا.

لمنع هذه الأعطال الميدانية، يجب عليك التحقق من النظام، وليس فقط المكون. هذا يعني أخذ الموصل المحدد الخاص بك ولوحة الدوائر المطبوعة المحددة الخاصة بك (من مصنع اللوحات الفعلي، وليس ورشة النماذج الأولية) وتعريضهما للصدمات الحرارية والاهتزاز. قم بتشغيل التجميع من -40 درجة مئوية إلى 105 درجة مئوية (أو أيًا كان نطاق التشغيل الخاص بك) لمدة 500 أو 1000 دورة. ثم، وفقط بعد ذلك، قم بقياس قوة الاحتفاظ.

إذا سحب الدبوس بقوة أقل من وزن حزمة الكابلات المتصلة به، فهناك مشكلة. لا يهم إذا استغرق الأمر 50 نيوتن لسحبه على خط الإنتاج. إذا استغرق 2 نيوتن لسحبه بعد شهر من التبديل الحراري، فإن منتجك قنبلة موقوتة. الفيزياء لا تُهزم؛ لا تراهن على سمعتك ضدها.