الفيزياء الخفية لفشل وحدات القلعة

في برامج التصميم بمساعدة الحاسوب، يبدو النموذج المخرم كاستراتيجية تكامل مثالية. فهو يثبت على اللوحة الرئيسية مثل قطعة ليغو، مسطح وآمن، مقدمًا طاقة لاسلكية أو حوسبة معتمدة مسبقًا دون متاعب تخطيط الترددات الراديوية. يبدو صلبًا. لكن تلك البساطة البصرية فخ. بمجرد أن تخرج اللوحة من فرن إعادة التدفق وتدخل الواقع الحراري في الميدان، يصبح ذلك النموذج "الصلب" جزيرة صلبة ثقيلة من السيراميك تقاوم بحر FR4 المرن.

الشيء الوحيد الذي يوسّط هذه المعركة هو سلسلة من وصلات اللحام الصغيرة على الحافة. إذا اعتبرت هذه الوصلات كروابط ميكانيكية، سيفشل التصميم. اللحام سبيكة هشة، وليس لاصقًا هيكليًا. يتعب تحت إجهاد القص، ويتشقق تحت الاهتزاز، وينكسر عندما تنثني اللوحة. نادرًا ما يحدث الفشل على المنضدة. يحدث بعد ستة أشهر، عندما تنطفئ أسطول وحدات التتبع في مينيسوتا خلال موجة برد، أو عندما تهبط طائرة بدون طيار بقوة على الخرسانة. الفرق بين منتج موثوق واستدعاء غالبًا ما يكون بضعة أعشار المليمتر في هندسة الوسادة التي تخبرك معظم أوراق البيانات بتجاهلها صراحة.

فيزياء تشقق الزاوية

العدو الرئيسي داخل الوصلة هو عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE). معظم الوحدات عالية الأداء—سواء كان جهاز استقبال GPS من u-blox أو مودم خلوي كثيف—مصنوعة على ركائز أكثر صلابة ميكانيكيًا ومختلفة حراريًا عن FR4 القياسي في لوحة الحامل الخاصة بك. عندما يتم تشغيل الجهاز، أو عندما يتغير درجة الحرارة المحيطة من -40°C إلى +85°C، تتمدد اللوحة الرئيسية والوحدة بمعدلات مختلفة.

يخلق هذا التمدد قوة قص تمزق وصلات اللحام. لا يتوزع الإجهاد بالتساوي؛ فالميكانيكا الأساسية تملي تركيزه في النقاط الأبعد عن المركز: الزوايا. وسادات الزاوية هي أذرع التجميع، تتحمل الجزء الأكبر من كل دورة حرارية والتواء ميكانيكي. إذا فحصت لوحة فاشلة تحت المجهر، سترى غالبًا شقًا دقيقًا يبدأ عند طرف وسادة الزاوية، ينتشر عبر الطبقة البينية المعدنية حتى ينقطع الاتصال الكهربائي.

لهذا السبب، اللحام "الكافي" ليس كافيًا. تحتاج الوصلة إلى شكل محدد—حاشية قوية—لتوزيع هذه القوى. الوصلة المسطحة والناقصة التي تُنشأ بنسخ مخطط الأبعاد 1:1 قد تجتاز اختبار الاستمرارية الكهربائية الأساسي في المصنع، لكنها لا تملك عمر تعب. إنها ساعة موقوتة.

مخطط الأبعاد في ورقة البيانات غالبًا ما يكون خاطئًا

السبب الأكثر شيوعًا لفشل الوصلات المخرمة هو اتباع "نمط الأرضية الموصى به" في ورقة بيانات بائع الوحدة بشكل أعمى. قد يبدو هذا غير بديهي—بالتأكيد المصنع يعرف الأفضل؟ لكن حوافز البائع نادرًا ما تتماشى مع متطلبات الموثوقية الخاصة بك. يريدون تسويق الوحدة على أنها "مضغوطة" و"موفرة للمساحة". لذا غالبًا ما تقلص أنماط الأبعاد الموصى بها الوسادات إلى الحد الأدنى المطلق، مما يسمح لك بتوجيه المسارات بإحكام حول الجهاز.

للتطبيقات عالية الموثوقية، تجاهل هذه الاقتراحات وصمم للحاشية. البُعد الحرج هو "الطرف"—الجزء من الوسادة الذي يمتد للخارج، بعيدًا عن حافة الوحدة. قد يمنحك نمط البائع القياسي 0.1 مم أو 0.2 مم من بروز الطرف، وهو بالكاد يكفي لتشكيل حدبة. لتجميع من الفئة 2 أو الفئة 3 وفقًا لمعايير IPC، تحتاج إلى حاشية لحام مرئية وقابلة للفحص تتسلق جدار المخرم.

القاعدة العامة للتصميم القوي هي تمديد وسادة اللوحة الرئيسية على الأقل من 0.5 مم إلى 0.8 مم خارج حافة الوحدة. يعمل هذا النحاس الإضافي كمستودع ومدرج. أثناء إعادة التدفق، يحتفظ بحجم أكبر من معجون اللحام؛ وعندما ينشط الفلكس، يسحب التوتر السطحي ذلك اللحام الإضافي إلى أعلى الجدار الرأسي للمخرم. هذا يخلق منحدرًا مقعرًا يوزع الإجهاد بدلاً من وصلة هشة.

إذا كنت تصمم أنماط الأبعاد الخاصة بك، تأكد من أنك تنظر إلى العرض الصحيح. من الشائع بشكل مزعج رؤية لوحات الإصدار 1 حيث يكون نمط الأبعاد معكوسًا لأن المصمم نظر إلى "العرض السفلي" للوحدة وطبقه على "العرض العلوي" للوحة. أنت تنظر من خلال اللوحة، وليس عليها. تحقق مرتين من الدبوس 1.

أنت تصمم القالب، وليس اللوحة فقط

الهندسة هي نصف المعركة فقط؛ الحجم هو النصف الآخر. يتطلب الوصلة المقطعة بشكل قلعة كمية أكبر بكثير من معجون اللحام مقارنة بالوسادة المسطحة القياسية لأن اللحام يجب أن يتحدى الجاذبية. يجب أن يبلل الوسادة ثم يتسلق عمودياً عبر الثقب نصف المقطوع. إذا استخدمت فتحة قالب قياسية تطابق وسادة النحاس بنسبة 1:1، فمن المحتمل أن تنتهي برفضات "بلل غير كافٍ". حجم المعجون المطبوع على الوسادة المسطحة ببساطة غير كافٍ لتغطية الجدار العمودي بمجرد أن تحترق المواد المتطايرة في الفلكس.

عليك إجبار العملية عن طريق الطباعة الزائدة على الفتحة. يجب أن يكون فتح القالب للوسادة المقطعة أكبر من وسادة النحاس نفسها، مع التمدد بشكل خاص إلى الخارج. تعديل شائع هو زيادة طول الفتحة من 10% إلى 20% في الاتجاه بعيداً عن الوحدة. عندما يذوب اللحام، سيعود إلى طلاء الذهب أو القصدير على الوسادة (لأن اللحام لا يلتصق بقناع اللحام)، مما يخلق "نتوءًا" من المعدن المنصهر يغذي عملية الشفط العمودي.

أجرِ هذه المحادثة مع مصنع التجميع الخاص بك. إذا استخدموا رقائق قياسية بسماكة 4 ميل أو 5 ميل بدون تعديل، فسيتأثر العائد الخاص بك. قد ترى البلل، لكن فحص الأشعة السينية سيكشف عن فراغات أو وصلات رقيقة لن تصمد في اختبار السقوط.

القتلة الخفيون: التمركز والتقسيم

حتى الوحدة الملحومة بشكل مثالي يمكن أن تدمر قبل أن تغادر أرض المصنع. الموضع الفيزيائي للوحدة بالنسبة لحافة اللوحة وعلامات الكسر هو متغير في الموثوقية غالبًا ما يتم تجاهله حتى فوات الأوان.

انظر إلى "عضات الفأر" — الألسنة المثقبة المستخدمة لتثبيت لوحة الدوائر المطبوعة في اللوحة أثناء التجميع. عندما يتم كسر هذه الألسنة أو إزالتها (فصل اللوحات)، تنتقل موجة صدمة ميكانيكية عبر FR4. إذا كانت وحدة مقطعة بشكل قلعة صلبة قريبة جدًا من هذه نقاط الإجهاد — لنقل، ضمن 5 مم — تنتقل هذه الطاقة مباشرة إلى وصلات اللحام الأقرب. وبما أن الوحدة صلبة واللوحة تنحني، فإن وصلة اللحام تتشقق.

هذا الضرر خبيث لأنه غالبًا ما يكون غير مرئي للعين المجردة. قد تجتاز اللوحة اختبار الوظيفة لأن السطحين المتشققين لا يزالان متصلين. لكن في المرة الأولى التي تهتز فيها الجهاز في شاحنة أو جيب، ينفتح الاتصال. أبعد الوحدات المقطعة عن حواف اللوحة، وفرض منطقة حظر صارمة حول علامات فصل اللوحات. إذا أجبر التصميم الوحدة على الاقتراب من الحافة، أصر على استخدام عملية فصل بالراوتر بدلاً من "قاطع البيتزا" الميكانيكي أو الكسر اليدوي، التي تولد عزمًا أعلى بكثير.

ملاحظة حول اللحام اليدوي

هناك طلب مستمر، خاصة في مراحل النماذج الأولية، للحام هذه الوحدات يدويًا. بينما من الممكن تقنيًا إنشاء اتصال كهربائي بمكواة اللحام، من شبه المستحيل إنشاء موثوق واحد.

فيزياء انتقال الحرارة تعمل ضدك. تطبق مكواة اللحام الحرارة على نقطة واحدة فقط على طرف الوسادة، مما يصعب تسخين البرميل المقطّع بشكل قلعة بشكل متساوٍ. النتيجة غالبًا ما تكون وصلة "باردة" في أعلى الثقب أو كتلة من اللحام تجلس على السطح دون بلل معدني حقيقي. بدون التوتر السطحي الموحد لفرن إعادة التدفق، من الصعب أيضًا التحكم في الحجم، مما يؤدي إلى جسور بين الدبابيس أو وصلات ناقصة. إذا اضطررت إلى إعادة العمل على وحدة أو نموذج أولي يدويًا، استخدم هواءً ساخنًا وكمية سخية من الفلكس لمحاكاة بيئة إعادة التدفق بأكبر قدر ممكن، لكن افهم أن هذه الوصلات لا ينبغي الوثوق بها لاختبار الاهتزاز.

الاعتمادية خيار

فشل الوحدة المقطعة بشكل قلعة نادرًا ما يكون لغزًا. إنه نتيجة متوقعة للفيزياء التي تؤثر على معدن غير كافٍ. من خلال تمديد طرف البصمة، والطباعة الزائدة على القالب، واحترام الإجهاد الميكانيكي للوحة، تحول وصلة هشة إلى عنصر هيكلي قوي. لا يكلف شيئًا من حيث قائمة المواد، لكنه يتطلب الثقة لتجاوز ورقة البيانات والتصميم وفقًا لواقع أرضية التصنيع.