هندسة الفشل: لماذا تتشقق الوحدات المجوفة في الميدان

أغلى صمت في تصنيع الإلكترونيات هو الصمت الذي يلي اختبارًا وظيفيًا ناجحًا، ليُكسر بعد ستة أشهر بتقرير ميداني. يتوقف جهاز تتبع الأسطول المثبت على هيكل شاحنة في ديترويت عن الإبلاغ عن موقعه. يصبح العداد الذكي في القبو متقطعًا. في النهاية، يصل تقرير 8D إلى مكتب، والسبب الجذري يكون دائمًا تقريبًا نفسه: وصلة لحام متشققة على وحدة ذات حواف مسننة.

نادراً ما تكون هذه الأعطال كهربائية. السيليكون داخل وحدة البلوتوث أو GPS سليم. العطل ميكانيكي، وغالبًا ما يكون مدمجًا في التصميم قبل قطع أول قالب. عند دمج وحدة معتمدة مسبقًا—سواء كانت وحدة GPS من u-blox أو وحدة WiFi من Espressif—أنت تثبت كتلة صلبة على ركيزة FR4 مرنة. إذا كان الاتصال يعتمد على الحد الأدنى من وسادات اللحام الموصى بها في ورقة البيانات، فأنت تبني منتجًا سيمر باختبار المصنع لكنه سيفشل عند أول مطب أو دورة حرارية.

انسَ "دفعات اللحام السيئة" أو خطأ المشغل؛ هذه مشكلة هندسية. فيزياء الوصلة المسننة لا ترحم وتتصرف بشكل مختلف عن المكونات السطحية القياسية. خلال مرحلة النموذج الأولي، غالبًا ما تُلحم هذه الوحدات يدويًا. يفيض الفني الوصلة بأسلاك اللحام، مكونًا لحامًا ضخمًا وقويًا يلتف حول الحافة المسننة. يعمل النموذج الأولي بشكل مثالي على الطاولة. لكن عندما ينتقل التصميم إلى الإنتاج الضخم، يتم تحديد حجم اللحام بواسطة قالب مقطوع بالليزر بسمك 5 ميل. الوصلة الناتجة تكون جزءًا صغيرًا من الحجم، وفجأة تختفي التكرارية الميكانيكية. إذا لم تُصمم هندسة الوسادة لتلك الحقيقة الإنتاجية المحدودة، ستعاني الوصلة من نقص اللحام، والإجهاد، وفي النهاية الانكسار.

ورقة البيانات هي وثيقة تسويقية

عليك أن تقبل أن "نمط الأرضية الموصى به" في ورقة بيانات الوحدة ليس حقيقة هندسية—إنه حل وسط. يُحفز بائعو الوحدات على تقليل مساحة أجهزتهم لجذب المصممين الذين يتنافسون على مساحة اللوحة. يعرضون لك امتداد وسادة يكفي فقط لإجراء اتصال كهربائي في بيئة ثابتة. لا يقومون بتحسينها لبيئات الاهتزاز العالي أو موثوقية IPC Class 3.

للحصول على وصلة مسننة موثوقة، تجاهل اقتراح البائع بامتداد وسادة 0.8 مم. ادفع نحو شيء أقرب إلى 1.2 مم أو حتى 1.5 مم. هذه النحاس الإضافي ليس مساحة مهدرة؛ إنه أساس "لحام الكعب".

تركز معظم معايير الفحص البصري (مثل AOI القياسي) على "لحام الأصبع"—الانحدار اللامع للحام المرئي على خارج الوحدة. لكن الأصبع يتحمل حملاً قليلاً جدًا. السلامة الهيكلية للوصلة المسننة تكمن في الكعب—اللحام الذي يتغلغل تحت الوحدة ويرتفع على الجدار الداخلي للحافة المسننة. هنا تتركز قوى القص الناتجة عن انحناء اللوحة والتوسع الحراري. إذا توقفت الوسادة عند حافة الوحدة أو امتدت قليلاً فقط، فلن تحصل على لحام كعب. ستحصل على "وصلة مؤخرة" ضعيفة جدًا في القص. بتمديد الوسادة للخارج، تسمح لعجينة اللحام بالترطيب بشكل صحيح والتدفق تحت الحافة، مكونًا سطحًا مقعرًا يمكنه امتصاص طاقة الاهتزاز فعليًا.

غالبًا ما يحاول المهندسون الميكانيكيون إصلاح هذه المشكلة الهندسية بالكيمياء—تحديدًا، التعبئة السفلية أو الطلاء المطابق. "ألا يمكننا فقط لصقه؟" هو رد شائع عندما تكون المساحة ضيقة. بينما تضيف التعبئة السفلية صلابة، فإنها تجعل إعادة العمل كابوسًا. إذا فشلت الوحدة في اختبار وظيفي وكانت ملتصقة باللوحة، غالبًا ما تضطر إلى التخلص من كامل لوحة الدوائر المطبوعة. الكيمياء ليست بديلاً عن الهندسة. صمم الوسادات بشكل صحيح، ولن تحتاج إلى الغراء.

التحكم في الفتحة: القصر الخفي

بمجرد أن تكون الوسادات كبيرة بما يكفي لدعم الوصلة، يتحول خطر الفشل إلى القالب. سيناريو كارثي شائع يشمل وحدة WiFi مع درع RF معدني. يقوم المصمم بتخطيط البصمة، ويقوم متجر القوالب بقطع فتحة قياسية 1:1 للوسادات.

في الإنتاج، تُطبع عجينة اللحام، تدخل اللوحة فرن إعادة التدفق، وتنهار العجينة مع ارتفاع الحرارة. نظرًا لأن الوسادات المسننة غالبًا ما تكون كبيرة ومستطيلة، يمكن لهذا الانهيار أن يجسر الفجوة الصغيرة بين وسادة الأرض ووسادة VCC. إذا حدث هذا الجسر تحت الدرع المعدني للوحدة، فإنه يكون غير مرئي لـ AOI (الفحص البصري الآلي). لن تكتشفه حتى يسحب الجهاز تيارًا مفرطًا في محطة الاختبار.

لقد رأينا دفعات إنتاج حيث تطلب 30% من اللوحات إعادة عمل بسبب هذا الجسر الخفي. الحل هو تقليل صارم في فتحة القالب. لا تحتاج إلى تغطية عجينة بنسبة 100% على هذه الوسادات الكبيرة. تقليلها إلى 80% أو حتى 70%—مع سحب الفتحة من الحافة الداخلية تحت الوحدة—أمر حاسم. هذا يمنع "تكوين كرات اللحام" والجسور التي تحدث حيث لا يمكنك رؤيتها.

هذا الأمر حساس بشكل خاص إذا كنت تستخدم تدفقًا قابلًا للذوبان في الماء، والذي يمكن أن يحبس تحت الوحدة ويسبب نموًا شجيريًا لاحقًا. ومع ذلك، حتى مع الكيميائيات التي لا تتطلب تنظيفًا، فإن الجسر الفيزيائي هو القاتل الفوري. الهدف هو تقليل اللحام عند الحافة الداخلية قليلاً لمنع الجسر، مع تغطية الامتداد الخارجي لبناء ذلك اللحام الحرج.

البيئة الميكانيكية

بعيدًا عن اللحام والقالب، يحدد الموقع الفيزيائي للوحدة على اللوحة بقاؤها. الوحدة ذات الحواف المقطعة هي في الأساس طوبة صلبة من السيراميك أو FR4 صلب جالس على لوحة رئيسية مرنة. عندما تنحني تلك اللوحة الرئيسية - سواء بسبب التمدد الحراري أو الاهتزاز أو عنف التفكيك - يخلق الإجهاد لحظة قص عند وصلات اللحام.

أكثر عملية خطورة في حياة الوحدة ذات الحواف المقطعة غالبًا ما تكون اللحظة التي يتم فيها فصل اللوحة عن اللوحة الأم. إذا تم وضع وحدة ثقيلة ضمن 10 مم من خط V-score، فإن "فرقعة" أداة تفكيك مقطع البيتزا ترسل موجة صدمة عبر الألياف الزجاجية. لقد رأينا مقاطع عرضية حيث تمزق لوح النحاس حرفيًا من طبقة FR4 قبل أن يغادر الجهاز المصنع.

إذا كان المنتج مخصصًا لبيئة ذات اهتزاز عالي - فكر في الاتصالات عن بعد في السيارات، الروبوتات الصناعية، أو أي شيء مركب على محرك - فإن التمركز يصبح أكثر أهمية. تجنب مركز اللوحة حيث يكون "تمدد الجلد" (التذبذب) هو الأسوأ. ضع الوحدات بالقرب من براغي التثبيت حيث تكون اللوحة أكثر صلابة.

إذا لم تتمكن من تحريك الوحدة، أو تمديد اللوحات، أو تغيير القالب، فستبقى مع منتج هو في الأساس ساعة موقوتة. لا يمكن لأي تعديل في عملية خط تركيب SMT أن يعوض عن مكون يقاوم ميكانيكيًا اللوحة التي تم لحامه بها. الحل الحقيقي الوحيد هو احترام فيزياء الوصلة: امنحها نحاسًا لتتمسك به، أبعدها عن الحواف المنحنية، وافحص الكعب، وليس فقط الأصبع.