अदृश्य विफलता: जब चयनात्मक सोल्डरिंग अपनी ही कनेक्शन को खा जाता है

उच्च विश्वसनीयता वाले इलेक्ट्रॉनिक्स में, सबसे खतरनाक सोल्डर जॉइंट वह नहीं होता जो बदसूरत हो। ठंडे सोल्डर जॉइंट, पुल, डी-वेटिंग—ये स्पष्ट दोष हैं। कोई भी AOI मशीन या प्रशिक्षित ऑपरेटर इन्हें बोर्ड के फ्लोर छोड़ने से पहले पकड़ लेगा। एक क्लास 3 उत्पाद के लिए असली खतरा वह जॉइंट है जो बिल्कुल सही दिखता है। इसका फाइलेट चिकना और चमकीला होता है। इसमें 100% होल फिल होता है। यह विजुअल इंस्पेक्शन में शानदार प्रदर्शन करता है। लेकिन उस चमकीली सतह के नीचे, वह तांबे की संरचना जो विद्युत कनेक्शन संभव बनाती है, रासायनिक रूप से मिट चुकी है।

प्रोटोटाइप से मास प्रोडक्शन में संक्रमण के दौरान एक सामान्य परिदृश्य लें। एक सुविधा एक विरासत उत्पाद को SAC305 लीड-फ्री प्रक्रिया में बदलती है। बोर्ड चयनात्मक सोल्डर लाइन से बिल्कुल साफ-सुथरे निकलते हैं। हालांकि, छह महीने बाद, फील्ड रिटर्न्स में अस्थायी खुले सर्किट आने लगते हैं। वाइब्रेशन परीक्षण से पता चलता है कि लीड सीधे बोर्ड से बाहर खींच रहे हैं। क्रॉस-सेक्शन विश्लेषण—सत्य देखने का एकमात्र तरीका—भयावहता प्रकट करता है: थ्रू-होल बैरल का "घुटना" गायब है। यह वह महत्वपूर्ण जंक्शन है जहां प्लेटिंग होल की दीवार से सतह पैड की ओर मुड़ती है। यह टूट नहीं गया है। यह घुल चुका है। सोल्डर केवल नग्न फाइबरग्लास से चिपका हुआ है, और विद्युत कनेक्शन एक सूक्ष्म परत के नाजुक इंटरमेटालिक यौगिक पर तैर रहा है।

यह तांबे का घुलना है। यह यांत्रिक विफलता नहीं है; यह रासायनिक मिटावट है। सोल्डर पॉट एक विलायक की तरह काम करता है। लीड-फ्री मिश्रधातुओं के युग में, घुलनशीलता के भौतिकी की अनदेखी आपकी चयनात्मक सोल्डरिंग मशीन को एक स्वचालित विनाश उपकरण में बदल देती है।

भूखे मिश्रधातु का भौतिकी

सोल्डरिंग चिपकाने जैसा नहीं है; यह मिश्रधातु बनाने जैसा है। जब पिघला हुआ सोल्डर तांबे की सतह को गीला करता है, तो यह केवल ऊपर नहीं बैठता। यह तांबे के एक हिस्से को घोल देता है ताकि एक इंटरमेटालिक यौगिक (IMC), आमतौर पर Cu6Sn5, बन सके। यह परत बंधन के लिए आवश्यक है। हालांकि, SAC305 (टिन-चांदी-तांबा) जैसे लीड-फ्री मिश्रधातु पुराने टिन-लीड (SnPb) पीढ़ी की तुलना में काफी अधिक आक्रामक विलायक होते हैं। वे तांबे के लिए भूखे होते हैं।

दो चर तरल सोल्डर के ठोस तांबे को खाने की दर को नियंत्रित करते हैं: तापमान और प्रवाह। अर्रेनियस समीकरण के अनुसार, पॉट के तापमान में हर 10°C की वृद्धि पर प्रतिक्रिया दर (और इस प्रकार घुलन दर) गैर-रेखीय रूप से तेज हो जाती है। यदि आप कठिन बोर्ड में प्रवाह को मजबूर करने के लिए पॉट को 290°C या 300°C पर चलाते हैं, तो आप तांबे की प्लेटिंग के क्षरण को तेज कर रहे हैं।

लेकिन तापमान केवल समीकरण का आधा हिस्सा है। चयनात्मक सोल्डरिंग एक गतिशील घटक जोड़ती है: प्रवाह की गति। वेव सोल्डरिंग के विपरीत, जहां बोर्ड एक बार वेव के ऊपर से गुजरता है, एक चयनात्मक नोजल एक पिन के नीचे बैठ सकता है, ताजा, गर्म, असंतृप्त सोल्डर को तांबे की सतह के खिलाफ पंप करता है। यह निरंतर पुनःपूर्ति संतृप्त सीमा परत को हटा देती है, जिससे ताजा सोल्डर लगातार तांबे पर हमला कर सकता है।

एक द्वितीयक चर अक्सर रखरखाव टीमों को चौंका देता है: पॉट में तांबे की मात्रा। जैसे-जैसे मशीन चलती है, यह बोर्डों से तांबा घोलती है, जिससे मिश्रधातु में तांबे का प्रतिशत बढ़ जाता है। इससे सोल्डर का लिक्विडस तापमान बढ़ जाता है, जिससे यह "धीमा" या दानेदार हो जाता है। एक प्रक्रिया इंजीनियर की स्वाभाविक प्रतिक्रिया, जो धीमे सोल्डर को देखता है, पॉट का तापमान बढ़ाना होता है। इससे एक फीडबैक लूप बनता है: उच्च तापमान अधिक तांबा घोलते हैं, जो पिघलने का बिंदु बढ़ाता है, जो फिर उच्च तापमान को प्रेरित करता है। यदि आप नियमित रूप से अपने सोल्डर पॉट का विश्लेषण नहीं कर रहे हैं और मिश्रधातु निर्माता की सीमा से अधिक तांबे के स्तर पर इसे नहीं बदल रहे हैं (अक्सर SAC305 के लिए लगभग 0.9% से 1.0% के आसपास), तो आप अपने बोर्डों को एक ऐसे स्नान में पका रहे हैं जिसमें केवल प्रवाह के लिए खतरनाक तापमान की आवश्यकता होती है।

थ्रू-होल जॉइंट में सबसे महत्वपूर्ण कमजोर स्थान होल का "घुटना" है। अधिकांश PCB निर्माण प्रक्रियाओं में, इलेक्ट्रोप्लेटिंग के भौतिकी के कारण घुटने पर प्लेटिंग फ्लैट बैरल दीवारों की तुलना में पतली होती है। यदि बैरल में 25µm तांबा है, तो घुटने पर केवल 15µm या 20µm हो सकता है। जब आक्रामक चयनात्मक सोल्डरिंग इस क्षेत्र पर बहती है, तो यह ऊपर (पैड साइड) और अंदर (बैरेल साइड) दोनों तरफ से हमला करती है। 15µm तांबे को घोलने में ज्यादा समय नहीं लगता। एक बार वह तांबा खत्म हो जाने पर, सोल्डर PCB के एपॉक्सी ग्लास से चिपक जाता है। यह जुड़ा हुआ दिखता है, लेकिन यांत्रिक अखंडता शून्य होती है।

थर्मल राहत का युद्धक्षेत्र

जहां घुलनशीलता की भौतिकी सोल्डर पॉट में होती है, वहीं मूल कारण लगभग हमेशा CAD डेटा में पाया जाता है। PCB पर खराब थर्मल डिजाइन तांबे के घुलने को किसी भी अन्य कारक की तुलना में अधिक बढ़ावा देता है। विशेष रूप से, यह ठोस ग्राउंड कनेक्शन की विद्युत आवश्यकता और थर्मल राहत की निर्माण आवश्यकता के बीच एक संघर्ष है।

एक सामान्य परिदृश्य में एक उच्च-धारा कनेक्टर पिन होता है जो 12-परत बोर्ड पर कई ग्राउंड प्लेन से जुड़ा होता है। यदि डिजाइनर "सॉलिड" कनेक्शन का उपयोग करता है—पिन तक सीधे तांबे को बिना थर्मल रिलीफ स्पोक्स के फैलाना—तो वह पिन एक विशाल हीट सिंक बन जाता है। जब चयनात्मक सोल्डर नोज़ल उस पिन को छूता है, तो गर्मी तुरंत आंतरिक परतों में फैल जाती है। सोल्डर छेद के ऊपर चढ़ने से पहले जम जाता है।

मशीन के पास खड़ा प्रक्रिया इंजीनियर अब एक दुविधा में है। जॉइंट भर नहीं रहा है। वे बोर्ड डिज़ाइन नहीं बदल सकते; Gerber फाइलें लॉक हैं। उनका एकमात्र उपाय मशीन प्रोफ़ाइल है। इसलिए, वे ड्वेल समय बढ़ाते हैं। सुरक्षित 2 सेकंड के बजाय, वे इसे 6, 8, या 10 सेकंड तक बढ़ाते हैं। वे पॉट तापमान को 320°C तक भी बढ़ा सकते हैं। अंततः, गर्मी ग्राउंड प्लेन के थर्मल मास को पार कर जाती है, और सोल्डर टॉपसाइड तक बहता है। जॉइंट भरा हुआ दिखता है। सफलता? नहीं।

जब गर्मी बैरल से टॉपसाइड तक चढ़ने के लिए संघर्ष कर रही थी, तो जॉइंट का निचला हिस्सा—जहां नोज़ल गर्म सोल्डर फेंक रहा है—10 सेकंड के लिए एक अत्यधिक गर्म, उच्च-गति वाले सॉल्वेंट स्नान में था। निचले घुटने और निचले बैरल पर तांबा पूरी तरह से छिल गया है। ऑपरेटर एक भरे हुए छेद को देखता है और स्वीकृति देता है। क्रॉस-सेक्शन एक खोखला हुआ आपदा प्रकट करता है।

यह रासायनिक क्षरण को मैकेनिकल विफलताओं जैसे पैड लिफ्टिंग से अलग करना आवश्यक है। पैड लिफ्टिंग अक्सर थर्मल शॉक या मैकेनिकल तनाव का परिणाम होता है जहां तांबा फाइबरग्लास से छिल जाता है। घुलनशीलता अलग है। तांबा छिल नहीं रहा है; यह सोल्डर पॉट के घोल में विलीन हो रहा है। यदि आप "लिफ्टेड पैड्स" देखते हैं जो आवर्धन के तहत फटे या पतले दिखते हैं, तो आप संभवतः उस घुलनशीलता को देख रहे हैं जिसने फॉइल को इतनी कमजोर कर दिया कि वह विफल हो गया।

“बस कुछ सेकंड और” का खतरनाक तर्क

कोई सार्वभौमिक "सुरक्षित" ड्वेल समय नहीं है। जो कोई भी आपको एक निश्चित संख्या जैसे "कभी 4 सेकंड से अधिक न करें" देता है, वह त्रुटि की सीमा तक सरलीकरण कर रहा है। 0.5oz तांबे वाले बोर्ड पर 4 सेकंड का ड्वेल घातक हो सकता है, जबकि 3oz भारी तांबे वाले बैकप्लेन पर 6 सेकंड का ड्वेल आवश्यक हो सकता है। हालांकि, जोखिम की गैर-रेखीयता स्थिर है। सेकंड 6 और सेकंड 8 के बीच किया गया नुकसान सेकंड 1 और सेकंड 2 के बीच किए गए नुकसान से कहीं अधिक है।

यह जोखिम पुनःकार्य द्वारा और बढ़ जाता है। कई उच्च-मिश्रण विनिर्माण वातावरणों में, यदि चयनात्मक सोल्डर जॉइंट पूरी तरह से नहीं भरता है, तो बोर्ड को "टच-अप" के लिए हाथ से सोल्डरिंग स्टेशन पर भेजा जाता है। यह अक्सर अंतिम घातक कदम होता है। चयनात्मक प्रक्रिया पहले ही तांबे की परत को काफी पतला कर चुकी होती है। जब तकनीशियन एक सोल्डरिंग आयरन (अक्सर भारी ग्राउंड प्लेन से निपटने के लिए 750°F/400°C पर सेट) लगाता है और अधिक फ्लक्स और वायर जोड़ता है, तो वे पहले से ही कमजोर बैरल पर घुलनशीलता प्रक्रिया को पुनः आरंभ करते हैं।

“टच-अप” संस्कृति की विडंबना यह है कि 75% से भरा हुआ छेद अक्सर मैकेनिकल रूप से मजबूत और विद्युत रूप से पर्याप्त होता है (IPC क्लास 2 और यहां तक कि कुछ क्लास 3 शर्तों के अनुसार) उस ही छेद की तुलना में जिसे 100% भरने के लिए पुनःकार्य किया गया हो। दृश्य पूर्णता की खोज ऑपरेटरों को कनेक्शन की आंतरिक संरचना को नष्ट करने के लिए प्रेरित करती है। हम मूल रूप से छत रंगने के लिए घर जला देते हैं।

सत्यापन: आंखों से अधिक भौतिकी पर भरोसा करना

यदि दृश्य निरीक्षण इस विफलता मोड के प्रति अंधा है, तो आप अपनी प्रक्रिया को कैसे मान्य करेंगे? कई संगठनों के लिए वास्तविकता यह है कि आप उच्च-विश्वसनीयता उत्पादों के लिए चयनात्मक सोल्डरिंग प्रक्रिया को विनाशकारी परीक्षण के बिना मान्य नहीं कर सकते। आपको उत्पाद लाइन को बचाने के लिए बोर्डों की बलि देनी होगी।

यह "थर्मल ऑडिट" या प्रक्रिया योग्यता से शुरू होता है। नए बोर्ड का प्रोफाइल बनाते समय, उच्च-मास ग्राउंड पिनों की पहचान करें। वह प्रोफ़ाइल चलाएं जो छेद भरता है। फिर, उस बोर्ड को लें और उन विशिष्ट पिनों का क्रॉस-सेक्शन करें। आपको घुटने पर शेष तांबे की मोटाई मापनी होगी। IPC-6012 क्लास 3 विशिष्ट शेष प्लेटिंग मोटाई की मांग करता है, लेकिन सामान्य इंजीनियरिंग नियम के रूप में, यदि आप बिना सोल्डर किए क्षेत्रों की तुलना में 50% से अधिक तांबे की पतलापन देखते हैं, तो आपकी प्रक्रिया नियंत्रण से बाहर है।

यदि क्रॉस-सेक्शन घुलनशीलता दिखाते हैं, तो आपके पास तीन विकल्प हैं, जिनमें से कोई भी आसान नहीं है।

1. नीचे की ओर प्रीहीट लागू करें। पूरे बोर्ड का तापमान 110°C-130°C तक बढ़ाकर इससे पहले कि नोज़ल उसे छूए, आप नोज़ल को पार करने के लिए थर्मल डेल्टा को कम कर देते हैं, जिससे ड्वेल समय कम हो सकता है।
2. बड़े नोज़ल व्यास का उपयोग करें। यदि जगह अनुमति देती है, तो बड़ा प्रवाह संकीर्ण जेट की तुलना में गर्मी को अधिक कुशलता से स्थानांतरित करता है।
3. डिज़ाइन पर वापस दबाव डालें। यह सबसे कठिन लेकिन सबसे आवश्यक कदम है। क्रॉस-सेक्शन डेटा को पीसीबी लेआउट टीम को दिखाएं। एक ठोस ग्राउंड कनेक्शन "मजबूत" नहीं होता यदि यह निर्माण प्रक्रिया को प्लेटिंग को नष्ट करने के लिए मजबूर करता है।

भौतिकी आपकी उत्पादन अनुसूची या आपके यील्ड लक्ष्यों की परवाह नहीं करती। यदि आप आक्रामक लीड-फ्री मिश्र धातुओं, उच्च तापमान, और लंबे ठहराव समय को मिलाते हैं, तो तांबा घुल जाएगा। एकमात्र रक्षा यह है कि ऊपर के चमकदार फिलेट को देखना बंद करें और नीचे के अदृश्य क्षरण की चिंता शुरू करें।