शील्ड का भौतिकी: RF असेंबली में “बीड ट्रैप” से बचाव

मिक्स्ड-सिग्नल पीसीबी पर सबसे खतरनाक घटक बीजीए नहीं है, न ही थर्मल पैड वाले क्यूएफएन हैं। यह आरएफ शील्ड कैन है। जबकि इंजीनियर साप्ताहिक रूप से इम्पीडेंस मैचिंग और एंटीना ट्यूनिंग का सिमुलेशन करते हैं, भौतिक शील्ड को अक्सर लेआउट पर एक बाद की सोच के रूप में डाला जाता है—मैकेनिकल लेयर पर सोल्डर पेस्ट की ठोस रेखा के साथ खींचा गया एक सरल धातु बॉक्स।

वह “बाद की सोच” एक निर्माण समय बम है। जब उत्पादन लाइन बंद हो जाती है क्योंकि 15% बोर्ड वाइब्रेशन परीक्षण में फेल हो रहे हैं, या जब 0201 कैपेसिटर तैनाती के तीन महीने बाद रहस्यमय रूप से शॉर्ट हो जाता है, तो दोषी लगभग हमेशा शील्ड असेंबली प्रक्रिया होती है। समस्या शायद ही कभी शील्डिंग प्रभावशीलता से उत्पन्न होती है। यह इस बात से उत्पन्न होती है कि शील्ड को एक विशाल थर्मल हीटसिंक और गैस ट्रैप के रूप में स्वीकार नहीं किया जाता। यदि आप पिघले हुए सोल्डर के तरल गतिशीलता का सम्मान किए बिना शील्ड फुटप्रिंट डिजाइन करते हैं, तो आप फैराडे केज नहीं बना रहे हैं। आप एक बीड जनरेटर बना रहे हैं।

अदृश्य दुश्मन: सोल्डर बीडिंग

विफलता तंत्र सरल, हिंसक और सूक्ष्म है। जब आप शील्ड फ्रेम के लिए सोल्डर पेस्ट की एक मानक ठोस रेखा प्रिंट करते हैं, तो यह पीसीबी सतह के खिलाफ एक गीला सील बनाता है। रिफ्लो के दौरान, उस पेस्ट के अंदर फ्लक्स वाष्पशील हो जाता है और उसे वेंट करने की आवश्यकता होती है। एक सामान्य घटक जोड़ में, गैस किनारों के चारों ओर निकल जाती है। लेकिन एक भारी शील्ड दीवार के नीचे निरंतर पेस्ट की बीड के साथ, गैस फंसी रहती है।

दबाव बढ़ता है जब तक कि यह प्रभावी रूप से विस्फोट नहीं करता, शील्ड दीवार के नीचे से पिघले हुए सोल्डर के छोटे गोले बाहर निकालता है। इन्हें “सोल्डर बीड्स” कहा जाता है। सबसे खराब मामलों में—जो अक्सर उच्च मात्रा वाली ऑटोमोटिव रन में देखे जाते हैं—ये बीड्स फ्लक्स के कुशन पर बोर्ड की सतह पर तैरते हैं। वे अंततः पास के घटकों के नीचे फंस जाते हैं, जैसे 0201 पैसिव्स या फाइन-पिच आईसी पिन्स, जिससे एक कठोर शॉर्ट बनता है। क्योंकि बीड अक्सर फंसा होता है अंडर घटक शरीर में, मानक ऑटोमेटेड ऑप्टिकल इंस्पेक्शन (AOI) इसे मिस कर देगा। यहां तक कि एक्स-रे निरीक्षण भी एक पूर्ण समाधान नहीं है; ग्राउंड प्लेन्स वाले घने बोर्ड पर, एक छोटा सोल्डर बीड आसानी से शोर में छिप सकता है। असली समाधान केवल यह है कि बीड बनने से पहले ही इसे रोका जाए।

एपर्चर इंजीनियरिंग: 1:1 भ्रांति

शील्ड डिजाइन में सबसे आम त्रुटि कॉपर पैड और स्टेंसिल एपर्चर के बीच 1:1 संबंध है। यदि पैड 1 मिमी चौड़ा है, तो इंजीनियर 1 मिमी चौड़ा पेस्ट डिपॉजिट मांगता है। यह एक गलती है। एक शील्ड को EMI ब्लॉकर के रूप में काम करने के लिए हर्मेटिक सोल्डर सील की आवश्यकता नहीं होती; इसे विद्युत निरंतरता और यांत्रिक फिक्सेशन की आवश्यकता होती है।

बीडिंग को समाप्त करने के लिए, आपको सील तोड़नी होगी। स्टेंसिल एपर्चर कभी भी एक ठोस रेखा नहीं होना चाहिए। इसके बजाय, इसे खंडित होना चाहिए। मानक IPC-7525 दिशानिर्देश और SMT लाइन पर व्यावहारिक अनुभव “डैश्ड लाइन” या “विंडो-पेन” पैटर्न की ओर इशारा करते हैं। पेस्ट डिपॉजिट को छोटे अंतरालों (आमतौर पर 0.3 मिमी से 0.5 मिमी) के साथ खंडों में तोड़कर, आप फ्लक्स वाष्पशीलों के निकलने के लिए एक चिमनी प्रदान करते हैं। इससे रिफ्लो के दौरान हाइड्रोलिक दबाव कम होता है और सोल्डर वहीं रहता है जहां होना चाहिए।

डिजाइनर अक्सर यहां पीछे हटते हैं, डरते हैं कि आरएफ ऊर्जा अंतरालों से रिस सकती है। मानक वाणिज्यिक आवृत्तियों (सब-6GHz) के लिए, यह ज्यादातर एक मिथक है। सिग्नल तरंगदैर्ध्य सोल्डर में 0.3 मिमी के अंतराल से बहुत बड़ा होता है। जब तक आप चरम मिलीमीटर-वेव अनुप्रयोगों में काम नहीं कर रहे हैं, तरंग का भौतिकी इसे इतनी छोटी एपर्चर से गुजरने की अनुमति नहीं देगा। सोल्डर बीड से शॉर्ट सर्किट का जोखिम 100% कार्यात्मक विफलता है; खंडित सोल्डर जोड़ से आरएफ रिसाव का जोखिम सांख्यिकीय रूप से नगण्य है। उपज को प्राथमिकता दें।

इसके अलावा, आपको पेस्ट की मात्रा कम करनी होगी। एक शील्ड सोल्डर के ऊपर बैठता है; इसके पास लीड्स नहीं होते जो उसमें "डूब" जाएं। 1:1 मात्रा अक्सर शील्ड को तैरने या झुकने (सह-समतलता की हानि) का कारण बनती है। आमतौर पर पैड क्षेत्र के 50-60% कवरेज को कम करना सही होता है। अत्यंत संवेदनशील लेआउट के लिए, “रिवर्स होम प्लेट” एपर्चर आकार का उपयोग अतिरिक्त सोल्डर को शील्ड के आंतरिक किनारे से दूर खींच सकता है, जिससे आंतरिक बीडिंग की संभावना और कम हो जाती है।

आर्किटेक्चर: “ब्लैक बॉक्स” समस्या

स्टेंसिल से परे, शील्ड की भौतिक संरचना उपकरण की विश्वसनीयता निर्धारित करती है। एक-पहनावे के शील्ड (एकल स्टैंप किया गया धातु का आवरण जो सीधे बोर्ड से सोल्डर किया जाता है) का उपयोग करने का प्रबल प्रलोभन होता है क्योंकि वे सस्ते होते हैं और इनकी प्रोफ़ाइल कम होती है। हालांकि, एक-पहनावा शील्ड अंतर्निहित सर्किट को एक ब्लैक बॉक्स में बदल देता है।

एक बार वह कैन सोल्डर हो जाने पर, दृश्य निरीक्षण असंभव हो जाता है। उससे भी अधिक महत्वपूर्ण, सफाई असंभव हो जाती है। यदि आप जल-घुलनशील फ्लक्स या यहां तक ​​कि आर्द्र वातावरण में “नो-क्लीन” फ्लक्स का उपयोग करते हैं, तो उस कैन के नीचे फंसे अवशेषों का क्या होता है, यह आपको ध्यान में रखना होगा। यदि शील्ड की स्टैंडऑफ ऊँचाई लगभग शून्य है, तो वाश केमिस्ट्री इसके नीचे नहीं बह सकती। फ्लक्स अवशेष सक्रिय रहता है और संवेदनशील ट्रेसेस के चारों ओर इकट्ठा हो जाता है। समय के साथ—विशेष रूप से शरीर की गर्मी और नमी के संपर्क में आने वाले वेयरेबल या मेडिकल उपकरणों में—ये अवशेष डेंड्रिटिक ग्रोथ और इलेक्ट्रोकेमिकल माइग्रेशन का कारण बनते हैं। सर्किट स्वयं को खा लेता है।

यदि विश्वसनीयता सर्वोपरि है, तो दो-टुकड़ा सिस्टम का उपयोग करें: बोर्ड पर सोल्डर किया गया एक फ़ेंस (फ़्रेम) और एक स्नेप-ऑन ढक्कन। इससे फिर सेफ्लो किए गए जॉइंट्स का पूरा दृश्य निरीक्षण और ढक्कन लगाने से पहले फ्लक्स अवशेषों की अच्छी तरह सफाई संभव होती है। हाँ, बिल ऑफ मैटेरियल्स (BOM) की लागत अधिक होगी। लेकिन एक सील किए गए कैन के अंदर $0.05 रेगुलेटर विफल हो जाने पर तैयार बोर्ड को बेकार करने की कीमत—जिसके लिए पैड्स को उखाड़ने और पीसीबी को नुकसान पहुंचाने वाला हीट-गन रिवर्क की आवश्यकता होती है—बेहद अधिक होती है।

प्रोटोटाइपिंग या बार-बार एक्सेस की आवश्यकता वाले बोर्ड्स के लिए SMT शील्ड क्लिप्स पर विचार करें। ये छोटे स्प्रिंग कॉन्टैक्ट्स बिना सतत सोल्डर रिंग के कैन को जगह पर रखते हैं। चूंकि लंबी पेस्ट लाइन नहीं होती, वे बीडिंग जोखिम को पूरी तरह समाप्त कर देते हैं और डिबगिंग के दौरान शील्ड को आसानी से हटाने की सुविधा देते हैं। जबकि ये एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए सोल्डर किए गए फ्रेम जितनी वाइब्रेशन रेजिस्टेंस नहीं दे सकते, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में जहां रिवर्केबिलिटी एक छिपी आवश्यकता होती है, वे अक्सर श्रेष्ठ होते हैं।

थर्मल सोक

फिर आता है रिफ्लो ओवन का थर्मोडाइनामिक्स। एक धातु RF शील्ड मूल रूप से एक हीटसिंक होता है। इसकी थर्मल मास उसके आसपास स्थित छोटे रेसिस्टर्स और कैपेसिटर्स की तुलना में बहुत अधिक होती है। यदि आपका रिफ्लो प्रोफ़ाइल आक्रामक है—तेजी से तापमान बढ़ा रहा है—तो छोटे कंपोनेंट्स शील्ड की तुलना में तरलुस तापमान पहले प्राप्त कर लेंगे।

इससे “कोल्ड जॉइंट्स” बनते हैं। शील्ड पैड्स पर सोल्डर पेस्ट शायद पिघल जाए, लेकिन शील्ड की दीवार स्वयं पर्याप्त गर्म नहीं होती कि वह सोल्डर स्वीकार करे। फ्लक्स जलकर उड़ जाता है, पेस्ट PCB पैड से चिपक जाता है, लेकिन वह निकल-प्लेटेड शील्ड वॉल को गीला नहीं कर पाता। परिणामस्वरूप शील्ड एक कोल्ड सोल्डर के पूल में बैठा रहता है बजाय इसके कि वह उससे जुड़ा हो। थर्मल साइक्लिंग या मैकेनिकल शॉक के तहत ये जॉइंट्स तुरंत क्रैक कर जाते हैं।

इसका मुकाबला करने के लिए, रिफ्लो प्रोफ़ाइल में एक पर्याप्त “सोएक ज़ोन” होना चाहिए—एक अवधि जहां ओवन का तापमान स्थिर रहता है (आमतौर पर 150°C से 180°C के बीच) और यह 60 से 90 सेकंड तक बना रहता है। इससे शील्ड का थर्मल मास बोर्ड के अन्य हिस्सों के साथ पकड़ बना लेता है। आप बोर्ड पर केवल तेजी से गर्मी नहीं डाल सकते; आपको तब तक सोक करना होगा जब तक शील्ड का धातु गीला करने के लिए पर्याप्त गर्म न हो जाए। इससे लाइन की यूनिट्स पर आवर (UPH) धीमी हो सकती है, लेकिन यह सुनिश्चित करता है कि जॉइंट धातुविज्ञानिक हो, केवल सौंदर्यपूर्ण नहीं।

प्रक्रिया नियंत्रण चेकलिस्ट

एक ऐसा शील्ड बनाने के लिए जो आपके यील्ड को नष्ट न करे, इस रक्षा पदानुक्रम का पालन करें:

1. एपरचर को सेगमेंट करें: कभी भी पेस्ट की एक ठोस लाइन न प्रिंट करें। गैस उत्सर्जन की अनुमति देने के लिए 0.3मिमी–0.5मिमी के गैप के साथ डैश्ड पैटर्न का उपयोग करें।
2. वॉल्यूम कम करें: पैड क्षेत्र के सापेक्ष 50-60% पेस्ट कवरेज का लक्ष्य रखें।
3. द्रव्यमान का सम्मान करें: सुनिश्चित करें कि रिफ्लो प्रोफ़ाइल में शील्ड वॉल को गर्म करने के लिए पर्याप्त लंबा सॉक ज़ोन हो, केवल पेस्ट के लिए नहीं।
4. वास्तविकता के लिए डिज़ाइन: यदि आप इसके नीचे साफ़ नहीं कर सकते, तो मान लें कि संक्षारण होगा जब तक कि आप फ्लक्स और पर्यावरण को पूरी तरह से सत्यापित न करें। बजट अनुमति देने पर दो-टुकड़ा सिस्टम या क्लिप्स को प्राथमिकता दें।

भौतिकी आपकी समयसीमा के प्रति उदासीन है। यदि आप गैस फंसाते हैं, तो यह विस्फोट करेगा। यदि आप गर्मी चुराते हैं, तो सोल्डर जुड़ाव नहीं करेगा। केवल स्कीमैटिक नहीं, प्रक्रिया को डिज़ाइन करें।