القاتل الصامت: لماذا تجتاز MEMS إعادة التدفق لكنها تفشل في الميدان

أنت تنظر إلى مخطط إنتاج أخضر تقريبًا بالكامل. اختبار الدائرة المتكاملة (ICT) يظهر معدلات نجاح 99.8%. المختبرون الوظيفيون في نهاية الخط يغنون. المنتج معبأ، مشحون، ومطلق.

ثم، بعد ثلاثة أسابيع، يرن الهاتف.

العائدات من الميدان لا تأتي كوحدات ميتة، بل كـ "المتجولين". ميكروفونات ذات مستوى ضوضاء ارتفع بشكل غير مفسر. حساسات الضغط تبلغ عن تغييرات في الارتفاع أثناء وجودها على مكتب. مقياسات التسارع التي طورت انحرافًا دائمًا. عندما تعيد اختبارها على المنضدة، قد تمر مرة أخرى للحظة، أو تظهر أعطالًا متقطعة تختفي عند الضغط على العبوة. المصنع يؤكد أن العملية كانت مثالية. ملفات إعادة التدفق تبدو كأمثلة نموذجية لإدارة الحرارة.

هذا هو سيناريو "الجرحى السائرون". أنت تتعامل مع وضع فشل غير مرئي لاختبارات الكهرباء عند خروج المصنع لكنه قاتل لعمر المنتج. هذا ليس عيب لحام أو دفعة سيليكون سيئة. إنه بالتأكيد حدث انفصال ناتج عن الرطوبة حدث قبل أسابيع، داخل فرن إعادة التدفق، بسبب انتهاك في العملية لم يسجله أي دفتر يوميات.

فيزياء الموت البطيء

لفهم سبب موت هذه الأجزاء بتأخير، عليك التوقف عن التفكير فيها كدوائر متكاملة قياسية (ICs). إذا أسأت معاملة عبوة SOIC أو QFP قياسية بالرطوبة، فإنها "تفرقع". تتحول الرطوبة إلى بخار، يتجاوز الضغط قوة البلاستيك، وتتصدع العبوة بصوت مسموع. ترى التشقق، وتتخلص من اللوحة. إنه قبيح، لكنه صادق.

أنظمة MEMS (الأنظمة الميكرو-كهربائية الميكانيكية) مختلفة. إنها هياكل ميكانيكية معقدة—ألواح غوص صغيرة، أغشية، وأمشاط—محصورة داخل تجويف. عندما تخترق الرطوبة عبوة MEMS، تستقر في الواجهة بين مركب التشكيل والركيزة، أو لوحة تثبيت الشريحة.

عندما تصل تلك القطعة إلى فرن إعادة التدفق، ترتفع درجة الحرارة إلى 260 درجة مئوية. تتحول الرطوبة المحبوسة إلى بخار فائق التسخين. لكن على عكس قطعة صلبة من البلاستيك، غالبًا ما تحتوي عبوة MEMS على فراغات داخلية وواجهات مواد متنوعة. بدلاً من تشقق خارج العبوة، يجد ضغط البخار طريق المقاومة الأقل: يفصل الطبقات الداخلية. يفصل الشريحة عن لوحة التثبيت أو يرفع مركب التشكيل بمقدار ميكرونات فقط عن إطار الرصاص.

القطعة لا تنفجر. إنها فقط تأخذ نفسًا عميقًا وتتوسع.

الأهم من ذلك، غالبًا ما تمتد الاتصالات الكهربائية—عادة أسلاك الذهب—بقدر كافٍ للحفاظ على الاتصال. تبرد الوحدة، يغلق الفجوة قليلاً، وتنجح في اختبار الاستمرارية الكهربائية. تمر بسهولة عبر اختبار ICT الخاص بك.

لكن الضرر قد حدث. لديك الآن فجوة تقشير مجهرية. خلال الأسابيع القليلة القادمة، مع تغير درجة حرارة الجهاز يوميًا أو الرطوبة في بيئة المستخدم، تتنفس تلك الفجوة. تضخ الملوثات. إذا كنت تستخدم عملية بدون تنظيف، يمكن أن تُمتص بقايا الفلكس التي كان من المفترض أن تكون غير ضارة على السطح إلى هذه الشقوق الجديدة. بمجرد دخولها، تختلط بالرطوبة لتشكل إلكتروليت موصل.

ببطء، يأكل التآكل لوحة الربط أو هيكل MEMS الحساس نفسه. أو، يسبب الإجهاد الميكانيكي للرقاقة المقشرة استرخاء غشاء MEMS، مما يحول نقطة الصفر الخاصة به. لهذا السبب ترى "انحراف المستشعر" بعد أسابيع. الجزء ليس مكسورًا؛ إنه غير مثبت.

مسرح الجريمة: ليست الفرن

عندما تحدث هذه الأعطال، يكون الغريزة الأولى إلقاء اللوم على ملف إعادة التدفق. يقضي المهندسون أيامًا في تعديل منطقة النقع أو خفض درجة الحرارة القصوى بمقدار درجتين. هذا مضيعة للوقت. لا يمكنك حل مشكلة الأجزاء الرطبة بإعادة التدفق.

لم تحدث الجريمة في الفرن؛ بل حدثت على رف التخزين قبل ثلاثة أيام.

إذا تجولت في أرضية الإنتاج - ليس في مسار الجولة الموجهة، بل في الأزقة الخلفية خلف آلات الالتقاط والموضع - ستجد السبب الجذري. قد ترى "خزانة جافة" حيث يعرض العداد الرقمي 5% RH، لكن مفصل الباب مكسور ومغلق بشريط كابتون. الختم ليس محكمًا، والرطوبة الحقيقية بالداخل هي 55%، مساوية لغرفة العمل.

قد تلاحظ بكرات من المكونات الحساسة للرطوبة جالسة على عربة تحت فتحة تكييف لأن المشغل اعتقد أن "الهواء البارد" سيحميها. ستجد دفاتر تسجيل تدعي أن بكرة ما أعيدت إلى الصندوق الجاف عند الساعة 14:00، بينما تظهر كاميرا الأمان أنها بقيت على عربة التغذية حتى تغيير الوردية عند 18:00.

هذه الانتهاكات غير مرئية لنظام البيانات. يقول نظام تنفيذ التصنيع (MES) إن الجزء لديه 48 ساعة من عمر الأرضية المتبقي. الفيزياء تقول إنه تشبع قبل 12 ساعة. عندما يصل هذا الجزء المشبع إلى ذروة 260°C في فرن إعادة التدفق، يقوم ضغط البخار بعمله، بغض النظر عن مدى كمال معدل التبريد لديك.

توقف عن الخبز كطريقة للهروب من المشاكل

أخطر رد فعل على ذعر الرطوبة هو عقلية "فقط اخبزه". مديرو الإنتاج، الذين يخشون إهدار $50,000 من أجهزة الاستشعار، سيأمرون بدورة خبز لـ "إعادة تعيين" عمر الأرضية.

الخبز ليس زر إعادة تعيين مجاني - إنه حدث إجهاد حراري.

قد تتحمل الدوائر المتكاملة القياسية خبزًا عند 125°C لمدة 24 ساعة دون شكوى، لكن MEMS أكثر هشاشة بكثير. لقد رأيت صواني من مقياسات التسارع تُخبز في درجات حرارة عالية حيث تكثف الغازات المنبعثة من صواني الشحن الرخيصة (التي لم تكن مصممة للخبز) على منافذ المستشعر، مما يغلقها.

حتى إذا استخدمت صواني JEDEC الصحيحة عالية الحرارة، فإن الخبز المتكرر يعزز نمو المعادن البينية عند واجهة الرصاص ويؤكسد اللوحات. قد تجفف الجزء، لكنك الآن خلقت خطر عيب "رأس في الوسادة" أثناء اللحام لأن اللوحات لن تبلل بشكل صحيح.

علاوة على ذلك، إذا حاولت خبز الأجزاء التي لا تزال في الشريط والبكرة، فأنت تمشي على حافة الحلاقة. معظم أشرطة الحامل لا تتحمل درجات حرارة الخبز القياسية. ينتهي بك الأمر ببلاستيك مذاب ملتصق بمكوناتك، أو شريط يتشوه بما يكفي لتعطيل المغذيات عالية السرعة، مما يسبب توقفًا هائلًا.

إذا كان لا بد من الخبز، يجب أن تتبع J-STD-033 بدقة، غالبًا باستخدام خبز منخفض الحرارة (40°C) يستغرق أسابيع، وليس ساعات. معظم المصانع لا تملك الصبر لذلك، لذا يزيدون الحرارة ويطبخون الأجزاء.

ساعة MSL مطلقة

جذر مشكلة الانضباط غالبًا ما يكون سوء فهم لتصنيف مستوى حساسية الرطوبة (MSL). العديد من الفرق تتعامل مع MSL كدليل تقريبي. لكنه ليس كذلك. إنه حد حراري محسوب.

هناك فجوة كبيرة بين MSL 3 و MSL 5a.

• MSL 3 يمنحك 168 ساعة (أسبوع واحد) من وقت التعرض.
• MSL 5a يمنحك 24 ساعة.

هذا يعني يومًا واحدًا. إذا تم فتح بكرة من ميكروفونات MSL 5a للإعداد، وتركت على الجهاز لمدة نوبة عمل مدتها 10 ساعات، ثم أعيدت إلى حقيبة ليست مفرغة تمامًا، فإن الساعة لا تتوقف. إنها تتوقف مؤقتًا، في أفضل الأحوال. إذا كان المادة الماصة للرطوبة مشبعة بالفعل، فإن الساعة تستمر في العمل داخل الحقيبة.

من الشائع رؤية مهندسي البرامج الثابتة يحاولون البرمجة لتجنب هذه الأعطال. يرون انحراف المستشعر ويحاولون بناء جداول معايرة معقدة أو إجراءات "الحرق" لتثبيت القراءة. هذا عبثي. لا يمكنك إصلاح ربط الرقاقة المتقشرة بالبرمجيات. أنت تقوم بمعايرة هيكل مادي مكسور سيستمر في التحرك مع تغير الرطوبة.

البروتوكول فوق البطولات

الإصلاح الوحيد لـ "المصابين المتجولين" هو الانضباط الحازم والبارانويدي قبل الفرن.

يجب أن تثق في الكيمياء، وليس في سجل الدفتر. كل كيس حاجز للرطوبة (MBB) يحتوي على بطاقة مؤشر الرطوبة (HIC) بداخله. عند فتح الكيس، انظر إلى تلك البطاقة فورًا. إذا كانت النقطة 10% وردية (أو أرجوانية، حسب النوع)، فإن الأجزاء مشكوك فيها، بغض النظر عما يقوله الملصق.

تحقق من ختم الفراغ في كل كيس قبل فتحه. إذا كان الكيس فضفاضًا — إذا كان بإمكانك قرص البلاستيك وسحبه بعيدًا عن الصينية — فهو معرض للخطر. من المحتمل أن المادة الماصة مشبعة.

أخيرًا، يجب أن تكون مستعدًا للتخلص من الأجزاء. هذا هو أصعب ما يمكن بيعه للإدارة. لكن بكرة من مستشعرات MEMS التي تُركت لفترة غير معروفة هي قنبلة موقوتة. إذا وضعتها على اللوحة، ستجتاز اختبارات المصنع. ستُشحن. وستفشل عندما يأخذها عميلك للجري في صباح رطب.

تكلفة التخلص من بكرة $2,000 هي خطأ تقريبي مقارنة بتكلفة استدعاء ميداني. لا تخبزها. لا تخمن. إذا تم كسر سلسلة الحيازة، فالجزء هو نفاية.