“हमेशा के लिए” गोंद की छिपी हुई लागत: अंडरफिल रणनीति के लिए एक क्षेत्र गाइड

2014 में, एक टियर 1 उपभोक्ता ऑडियो ब्रांड को पेनांग के एक फैक्ट्री फ्लोर पर एक दुःस्वप्न जैसी स्थिति का सामना करना पड़ा। एक फैशनेबल नया हेडफोन डिज़ाइन अभी-अभी उत्पादन में बढ़ा था, जिसमें मुख्य लॉजिक बोर्ड पर तंग-पिच घटक भरे हुए थे। एक कठोर ड्रॉप-टेस्ट विनिर्देश को पार करने के लिए, इंजीनियरिंग टीम ने एक “कंक्रीट-ग्रेड” कैपिलरी अंडरफिल लॉक कर दिया था। यह एपॉक्सी इतना कठोर और स्थायी था कि इसने बोर्ड को मूल रूप से एक ठोस ईंट में बदल दिया।

यह ड्रॉप टेस्ट के लिए शानदार काम किया। लेकिन उत्पादन के तीन सप्ताह बाद, BGA विक्रेता ने ठंडे सोल्डर जॉइंट्स वाले चिप्स का एक बैच भेजा।

एक सामान्य लाइन पर, आप इन्हें फिर से काम करते। आप बोर्ड को गर्म करते, चिप को उठाते, पैड्स को साफ करते, और एक नया $4 घटक लगाते। लेकिन उस विशिष्ट अंडरफिल के कारण, पुनःकार्य असंभव था। एपॉक्सी बॉन्ड लेमिनेट से भी मजबूत था। चिप को हटाने का हर प्रयास फाइबरग्लास कोर से कॉपर पैड्स को ही फाड़ देता था। फैक्ट्री को 12,000 पूरी तरह से असेंबल किए गए PCBAs को भौतिक रूप से नष्ट करना पड़ा—सैकड़ों हजारों डॉलर के इन्वेंटरी—क्योंकि वे एक भी दोषपूर्ण घटक को बदल नहीं सकते थे।

यह केवल यांत्रिक समाधान के रूप में अंडरफिल को देखने का जाल है। चिपकने वाले को ड्रॉप-टेस्ट विफलताओं के खिलाफ एक सरल बीमा पॉलिसी के रूप में देखना आसान है। लेकिन यदि आप केवल जीवित रहने के मापदंडों के आधार पर सामग्री चुनते हैं, तो आप अनजाने में एक वित्तीय टाइम बम डिजाइन कर रहे हैं। जब आप ऐसी सामग्री निर्दिष्ट करते हैं जिसे हटाया नहीं जा सकता, तो आप यह दांव लगा रहे हैं कि आपका निर्माण यील्ड हमेशा 100% रहेगा। यह ऐसा दांव है जो कोई भी अनुभवी इंजीनियर कभी नहीं लगाएगा।

पछतावे का भौतिकी

सही सामग्री चुनने के लिए, आपको यह समझना होगा कि आप इसे क्यों उपयोग कर रहे हैं। आमतौर पर, लक्ष्य एक बॉल ग्रिड एरे (BGA) या चिप स्केल पैकेज (CSP) को यांत्रिक झटके से बचाना होता है। जब कोई डिवाइस फर्श से टकराता है, तो PCB मुड़ता है। चिप का कठोर सिरैमिक या प्लास्टिक पैकेज नहीं मुड़ता। यह भिन्न लचीलापन सोल्डर बॉल्स पर भारी शीयर बल उत्पन्न करता है, जिससे वे टूट जाते हैं। अंडरफिल चिप और बोर्ड के बीच की खाई को भरता है, उन्हें एक इकाई के रूप में जोड़ता है ताकि वे एक साथ हिलें।

हालांकि, "मजबूत" हमेशा बेहतर नहीं होता। एक सामान्य गलती है उच्च यंग मॉड्यूलस (कठोरता) और उच्च थर्मल विस्तार गुणांक (CTE) वाले अंडरफिल का चयन करना जो सोल्डर से मेल नहीं खाता। यदि अंडरफिल थर्मल साइकलिंग के दौरान—जैसे -40°C से 125°C तक ऑटोमोटिव टेस्ट में—सोल्डर जॉइंट्स की तुलना में बहुत तेजी से फैलता है, तो गोंद खुद चिप को पैड्स से यांत्रिक रूप से उठा सकता है। आप प्रभावी रूप से अपने घटकों के नीचे एक धीमी गति वाला क्रोबार स्थापित कर रहे हैं।

उद्योग में संरचनात्मक अंडरफिल और कॉनफॉर्मल कोटिंग के बीच भी लगातार भ्रम होता है। आप इंजीनियरों को पूछते हुए देख सकते हैं कि क्या वे केवल एक मोटी परत एक्रिलिक या यूरेथेन कोटिंग की "ग्लोब ऑन" कर सकते हैं ताकि चिप को सुरक्षित किया जा सके। वे एक ही चीज़ नहीं हैं। कॉनफॉर्मल कोटिंग नमी और धूल के खिलाफ एक पतली बाधा है; इसका ड्रॉप के G-बल के खिलाफ लगभग कोई संरचनात्मक अखंडता नहीं होती। अंडरफिल एक संरचनात्मक इंजीनियरिंग सामग्री है जिसे लोड ट्रांसफर के लिए डिज़ाइन किया गया है। दोनों को भ्रमित करना फील्ड विफलताओं की तेज़ राह है।

लक्ष्य चिप को एक अजेय समाधि में बंद करना नहीं है; बल्कि सोल्डर जॉइंट्स से तनाव को दूर वितरित करना है बिना नए थर्मल तनावों को उत्पन्न किए जो असेंबली को तोड़ दें।

रणनीतिक पिवट: कैपिलरी बनाम एज बॉन्डिंग

अधिकांश उपभोक्ता और औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए, डिफ़ॉल्ट प्रवृत्ति "कैपिलरी अंडरफिल" (CUF) होती है। यह वह प्रक्रिया है जिसमें कम चिपचिपाहट वाला एपॉक्सी चिप के किनारे पर डिस्पेंस किया जाता है, और कैपिलरी क्रिया इसे नीचे खींचती है, पूरी खाली जगह भर देती है। यह अधिकतम यांत्रिक जुड़ाव प्रदान करता है। यह पुनःकार्य के लिए भी सबसे कठिन है।

कई डिज़ाइनों के लिए एक श्रेष्ठ विकल्प है: कोर्नर बॉन्डिंग, या "स्टेकिंग।"

पूरे गैप को भरने के बजाय, आप BGA पैकेज के चारों कोनों पर उच्च-सान्द्रता वाला चिपकने वाला डॉट्स लगाते हैं। यह चिप को बोर्ड से जोड़ता है, जिससे कोने के सोल्डर बॉल्स (जो हमेशा पहले फेल होते हैं) को गिरने के प्रभाव का मुख्य भार नहीं उठाना पड़ता। एक औद्योगिक IoT स्टार्टअप के लिए डिज़ाइन ऑफ़ एक्सपेरिमेंट्स (DOE) में, हमने भारी FPGA के लिए पूर्ण कैपिलरी फ्लो की तुलना कोने के बॉन्डिंग से की। पूर्ण अंडरफिल ने एक मीटर से 20 ड्रॉप्स सह लिए। कोने के बॉन्ड ने 18 ड्रॉप्स सह लिए। दोनों ने 10 ड्रॉप्स की आवश्यकता को पार कर लिया।

अंतर? जब फर्मवेयर बग ने पहले 50 यूनिट्स को खराब कर दिया, तो कोने से जुड़े FPGAs को 15 मिनट में हटाकर बदला जा सकता था। पूरी तरह से अंडरफिल्ड यूनिट्स कबाड़ हो जातीं। सैद्धांतिक स्थायित्व के एक छोटे से हिस्से की बलिदानी देकर, ग्राहक ने 100% सेवा योग्यता प्राप्त की।

हालांकि एक चेतावनी: लैब में पड़े किसी भी गोंद की ट्यूब से कोने की बॉन्डिंग करने की कोशिश न करें। मैंने इंजीनियरों को RTV सिलिकॉन (बाथरूम कॉलक, मूल रूप से) का उपयोग करके कंपोनेंट्स को स्टेक करने की कोशिश करते देखा है। कई RTV सिलिकॉन एसिटिक एसिड छोड़कर क्योर होते हैं, जो समय के साथ तांबे के ट्रेस को खा जाते हैं और सोल्डर जॉइंट्स को जंग लगाते हैं। यदि आप किसी कंपोनेंट को स्टेक करने जा रहे हैं, तो इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए विशेष रूप से तैयार चिपकने वाला उपयोग करें—आमतौर पर एक गैर-चालक एपॉक्सी जिसमें उच्च थिक्सोट्रोपिक इंडेक्स होता है ताकि वह ढह न जाए।

एक महत्वपूर्ण विनिर्देश: Tg

यदि आप पूर्ण कैपिलरी अंडरफिल का उपयोग करने का निर्णय लेते हैं, तो आपकी नजर तुरंत डेटा शीट की एक लाइन पर जानी चाहिए: ग्लास ट्रांजिशन तापमान, या Tg।

Tg वह तापमान है जिस पर एपॉक्सी कठोर, कांच जैसा अवस्था से नरम, रबर जैसा अवस्था में बदल जाता है। यह आपका पुनः कार्य विंडो है। बोर्ड को नुकसान पहुंचाए बिना अंडरफिल्ड चिप को हटाने के लिए, आपको चिपकने वाले को उसके Tg से ऊपर गर्म करना होगा ताकि वह इतना नरम हो जाए कि वह झुक जाए, लेकिन तापमान उस बिंदु से नीचे रखना होगा जहां PCB लैमिनेट अलग हो जाए या सोल्डर थर्मल रनअवे पैदा करे।

एक “पुनः कार्य योग्य” अंडरफिल का Tg आमतौर पर 80°C से 130°C के बीच होता है। इससे एक तकनीशियन हॉट एयर स्टेशन के साथ स्थानीय क्षेत्र को गर्म कर सकता है, गोंद को नरम कर सकता है, और चिप को उठा सकता है। गैर-पुनः कार्य योग्य, “संरचनात्मक” एपॉक्सी का Tg अक्सर 160°C या उससे अधिक होता है। जब आप उस सामग्री को इतना नरम कर पाते हैं कि उसे खुरच सकें, तब तक आपने संभवतः FR-4 बोर्ड को नुकसान पहुंचा दिया होता है, तांबे के पैड्स को उठा दिया होता है, और वाया संरचनाओं को नष्ट कर दिया होता है।

विक्रेता के ब्रोशर पर “पुनः कार्य योग्य” शब्द पर भरोसा न करें। हर चिपकने वाला विक्रेता दावा करता है कि उनका उत्पाद पुनः कार्य योग्य है। उनका मतलब है कि यह पुनः कार्य योग्य है। यदि आपके पास $50,000 सटीक पुनः कार्य मशीन, आठ घंटे का समय, और एक सर्जन के हाथ हैं। Tg कर्व को देखें। यदि सामग्री 170°C तक चट्टान की तरह कठोर रहती है, तो यह किसी भी उच्च-आयतन मरम्मत डिपो के लिए प्रभावी रूप से स्थायी है।

यहाँ सूक्ष्मता है—कम Tg वाले पुनः कार्य योग्य फॉर्मूलेशन उच्च तापमान वाले वातावरण (जैसे कार के हुड के नीचे) में दीर्घकालिक उम्र बढ़ने के दौरान कम स्थिर हो सकते हैं। लेकिन टैबलेट, डैशबोर्ड डिस्प्ले, या मेडिकल डिवाइस के लिए, यह समझौता लगभग हमेशा इसके लायक होता है। मैं जानबूझकर एनहाइड्राइड बनाम अमीन क्योर सिस्टम पर रसायन विज्ञान का पाठ छोड़ रहा हूँ क्योंकि, सच कहूँ तो, सही निर्णय लेने के लिए आपको अणु के आकार को जानने की जरूरत नहीं है। आपको केवल यह जानना है कि क्या आप इसे बोर्ड से हटा सकते हैं।

स्क्रैप गणित

अंततः, अंडरफिल एक आर्थिक निर्णय है, केवल यांत्रिक नहीं। आपको “स्क्रैप मैथ ऑडिट” चलाना होगा।

अपने भरे हुए PCBA की लागत लें। मान लीजिए यह एक $800 मुख्य बोर्ड है एक मेडिकल टैबलेट के लिए। अब अपने BGA कंपोनेंट की दोष दर का अनुमान लगाएं—शायद 2,000 पार्ट्स प्रति मिलियन (ppm)। यदि आप गैर-पुनः कार्य योग्य अंडरफिल का उपयोग करते हैं, तो उन 2,000 दोषों में से हर एक $800 का नुकसान होगा। आप CPU, मेमोरी, पावर मैनेजमेंट चिप्स, और बोर्ड को फेंक रहे हैं, केवल इसलिए कि एक $5 चिप में ठंडा सोल्डर जॉइंट था।

2016 में “प्रोजेक्ट अपोलो” मेडिकल टैबलेट फियास्को के मामले में, एक दोषपूर्ण मेमोरी चिप पर गैर-पुनः कार्य योग्य अंडरफिल विकल्प ने 4,000 यूनिट्स के स्क्रैप होने का कारण बना। नुकसान केवल हार्डवेयर नहीं था; यह लॉजिस्टिक्स, छूटे हुए शिपिंग तिथियाँ, और वारंटी दुःस्वप्न भी था।

यदि आप पुनः कार्य योग्य सामग्री या कोने-बॉन्ड रणनीति का उपयोग करते हैं, तो वह विफलता आपको तकनीशियन श्रम में $50 और एक नए कंपोनेंट की लागत देती है। बोर्ड बच जाता है। विश्वसनीयता केवल इस बात पर निर्भर नहीं है कि डिवाइस ड्रॉप टेस्ट में बचता है या नहीं; यह इस बात पर भी निर्भर है कि आपका व्यवसाय निर्माण भिन्नता में बचता है या नहीं। स्थायी का मतलब है परफेक्ट, और इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माण में, कुछ भी कभी परफेक्ट नहीं होता।