फ्लोर गिरना: क्यों आपका PCB लैमिनेट ड्रॉप टेस्ट में फेल हो रहा है (और क्यों यह सामग्री दोष नहीं है)

ड्रॉप टेस्ट विफलता की आवाज़ विशिष्ट होती है, लेकिन विफलता विश्लेषण प्रयोगशाला में उसके बाद की चुप्पी में असली तनाव होता है। एक प्रोटोटाइप हैंडहेल्ड डिवाइस कंक्रीट से टकराता है। स्क्रीन बच जाती है, केस बच जाता है, लेकिन यूनिट मृत हो जाता है। इंजीनियरिंग बुलपेन में तत्काल प्रतिक्रिया फैब्रिकेशन हाउस को दोष देने की होती है। आरोप लगभग हमेशा एक जैसा होता है: लैमिनेट "खराब" था, रेजिन "अंडरकर्ड" था, या चिपकने की शक्ति "कमजोर" थी।

लेकिन जब आप क्रॉस-सेक्शन पर ज़ूम करते हैं, तो कहानी बदल जाती है। कॉपर पैड सिर्फ उठ नहीं गया है; उसने अपने साथ एपॉक्सी डाइलेक्ट्रिक का एक टुकड़ा भी ले लिया है। इसे पैड क्रेटरिंग कहते हैं। यह चिपकने वाले रसायन की विफलता नहीं है; यह यांत्रिक संरचना की विफलता है। आप अपने सामग्री आपूर्तिकर्ता से "मजबूत" डेटा शीट मांगकर ज्यामिति की समस्या का समाधान नहीं कर सकते। यदि आप क्रेटर देखते हैं, तो आप संभवतः लैमिनेट से वह काम करवाने की उम्मीद कर रहे हैं जो यांत्रिक चेसिस का काम है।

क्रेटर की संरचना

यदि आप समस्या की गलत पहचान करते रहेंगे तो आप समस्या को ठीक नहीं कर सकते। इंजीनियर अक्सर BGA (बॉल ग्रिड एरे) के नीचे किसी भी पृथक्करण को "पैड लिफ्टिंग" के साथ भ्रमित कर देते हैं। पैड लिफ्टिंग आमतौर पर एक थर्मल घटना होती है या रिफ्लो के दौरान खराब वेटिंग का परिणाम होती है। पैड क्रेटरिंग एक हिंसक यांत्रिक टूटन है।

माइक्रोस्कोप के नीचे विफलता स्थल को देखें। एक सच्चा क्रेटर लैमिनेट सामग्री में एक विशिष्ट गड्ढा छोड़ता है। कॉपर पैड अभी भी सोल्डर बॉल से मजबूती से जुड़ा है, और सोल्डर बॉल घटक से मजबूती से जुड़ा है। विफलता पूरी तरह से कॉपर के नीचे डाइलेक्ट्रिक रेजिन में हुई है। यह ऐसा दिखता है जैसे आइसक्रीम का एक स्कूप टब से फाड़ कर निकाला गया हो।

यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सामान्य "ब्लैक पैड" घबराहट को खारिज करता है। ब्लैक पैड एक रासायनिक क्षरण समस्या है जो ENIG (इलेक्ट्रोलैस निकल इमर्शन गोल्ड) फिनिश को प्रभावित करती है, जिससे एक अंधेरा, समतल सतह बनती है जहाँ सोल्डर गीला नहीं हो पाया। यदि आप बोर्ड से या उठे हुए पैड के नीचे से उभरे हुए खुरदरे एपॉक्सी और ग्लास फाइबर देखते हैं, तो आपके पास ब्लैक पैड समस्या नहीं है। आपके पास तनाव प्रबंधन की समस्या है। रेजिन रासायनिक रूप से विफल नहीं हुआ। इसे यांत्रिक रूप से अधिक शक्ति मिली।

गति का भौतिकी: स्ट्रेन रेट सेंसिटिविटी

इस विफलता मोड का कारण इतना छिपा हुआ और अक्सर "खराब बैच" पर दोषारोपित क्यों किया जाता है, यह है कि FR-4 और समान लैमिनेट स्ट्रेन-रेट सेंसिटिव होते हैं। एक सामग्री जो धीमी थर्मल चक्र या स्थैतिक मोड़ परीक्षण के दौरान उचित लचीलापन दिखाती है, उच्च गति के प्रभाव के दौरान कांच की तरह भंगुर व्यवहार करेगी।

जब कोई डिवाइस जमीन से टकराता है, तो शॉक वेव PCB के माध्यम से यात्रा करता है। यदि बोर्ड को मोड़ने की अनुमति दी जाती है, तो उस स्ट्रेन ऊर्जा को कहीं जाना होगा। एक मानक ड्रॉप इवेंट (JEDEC JESD22-B111 या समान के अनुसार) में, स्ट्रेन दर अत्यंत उच्च हो सकती है। इन गति पर, रेजिन में पॉलिमर चेन के पास पुनः व्यवस्थित होने और ऊर्जा को नष्ट करने का समय नहीं होता। वे बस टूट जाते हैं।

इसीलिए इस विशेष विफलता मोड के लिए डेटा शीट पर ग्लास ट्रांजिशन तापमान (Tg) देखना समय की बर्बादी है। Tg थर्मल प्रदर्शन को मापता है, न कि फ्रैक्चर टफनेस (K1c) या उच्च गति माड्यूलस को। आप उच्च-Tg (170°C+) सामग्री के लिए प्रीमियम भुगतान कर सकते हैं और फिर भी विनाशकारी क्रेटरिंग देख सकते हैं क्योंकि सामग्री कमरे के तापमान पर प्रभाव गति पर उतनी ही भंगुर होती है, यदि अधिक नहीं।

मौन हत्यारे: ड्रॉप से पहले हुआ था

यहाँ तक कि बोर्ड को ड्रॉप टेस्टर में लोड करने से पहले, आपने पहले ही पैड को नुकसान पहुँचा दिया हो सकता है। "ड्रॉप टेस्ट विफलताओं" का एक महत्वपूर्ण प्रतिशत वास्तव में "डिपैनलिंग विफलताएं" होती हैं जो ड्रॉप के दौरान अंततः खुल गईं।

पैनल से बोर्ड तोड़ने की यांत्रिकी पर विचार करें। यदि आप V-स्कोर प्रक्रिया का उपयोग करते हैं और बोर्ड को मैन्युअल रूप से या पिज़्ज़ा-कटर शैली के ब्लेड से अलग करते हैं, तो आप सीधे बोर्ड के किनारे में भारी झुकाव क्षण उत्पन्न करते हैं। यदि कोई भारी कनेक्टर या BGA उस ब्रेक लाइन के बहुत करीब बैठता है, तो स्नैप से उत्पन्न तनाव तरंग पैड के नीचे रेजिन में माइक्रो-क्रैक बनाती है। ये दरारें नग्न आंखों से अदृश्य होती हैं और अक्सर इलेक्ट्रिकल परीक्षण (ICT) पास कर जाती हैं क्योंकि तांबा अभी भी संपर्क में होता है। लेकिन रेजिन की संरचनात्मक अखंडता समाप्त हो जाती है।

यह अक्सर "फैंटम" विफलताओं का स्रोत होता है। ड्रॉप टेस्ट ने रेजिन को नहीं तोड़ा; यह केवल उस काम को पूरा करता है जो राउटर बिट ने शुरू किया था। यदि आप बोर्ड के किनारों के पास क्रेटरिंग देखते हैं, तो एक पल के लिए ड्रॉप ऊंचाई को नजरअंदाज करें और अपने डिपैनलिंग स्टेशन का ऑडिट करें। फिक्स्चर पर स्ट्रेन गेज देखें। यदि आप उन्हें नहीं देखते हैं, तो आप उस चर को माप नहीं रहे हैं जो वास्तव में आपकी यील्ड को मार रहा है।

सोल्डर कठोरता जाल

कई डिजाइनर एक विरोधाभासी चर को मिस कर देते हैं: सोल्डर जॉइंट को मजबूत बनाना अक्सर सिस्टम को कमजोर बनाता है। उद्योग मानक लीड-फ्री मिश्र धातु, SAC305 (Sn-Ag-Cu), व्यापक रूप से उपयोग की जाती है क्योंकि यह विश्वसनीय और अच्छी तरह समझी गई है। हालांकि, SAC305 का यंग मॉड्यूलस अपेक्षाकृत उच्च होता है—यह कठोर है।

ड्रॉप घटना में, आप अनुपालन चाहते हैं। आप चाहते हैं कि स्टैक-अप में कुछ शॉक एब्जॉर्बर के रूप में कार्य करे। यदि सोल्डर जॉइंट कठोर है (SAC305), घटक कठोर है (सिरेमिक BGA), और तांबे का पैड कठोर है, तो ऊर्जा को अवशोषित करने के लिए केवल लेमिनेट रेजिन बचता है। रेजिन उस विशिष्ट उच्च-कठोरता श्रृंखला में "सबसे नरम" चीज़ है, इसलिए वह फट जाता है।

निम्न-मॉड्यूलस मिश्र धातु, जैसे SAC105 या कुछ डोप्ड कम-सिल्वर मिश्र धातु, में स्विच करने से क्रेटरिंग में काफी कमी आ सकती है। ये नरम मिश्र धातु शॉक के दौरान प्लास्टिकली विकृत होते हैं, उस ऊर्जा को अवशोषित करते हैं जो अन्यथा लेमिनेट में स्थानांतरित हो जाती। एक इंजीनियर के लिए "कमजोर" सोल्डर मांगना गलत लगता है, लेकिन यांत्रिक झटका के संदर्भ में, अनुपालन ही जीवित रहने का तरीका है। बेशक, इससे एक समझौता होता है: कम चांदी की मात्रा अक्सर थर्मल साइक्लिंग विश्वसनीयता को कम करती है। आपको डिवाइस के ड्रॉप से मरने के जोखिम और पांच वर्षों में थर्मल थकान से मरने के जोखिम के बीच संतुलन बनाना होता है। लेकिन हैंडहेल्ड डिवाइस के लिए, ड्रॉप आमतौर पर मुख्य हत्यारा होता है।

ज्यामिति भाग्य है

अंततः, आप सामग्री विनिर्देश के साथ भौतिकी को धोखा नहीं दे सकते। यदि आप एक पतली PCB के केंद्र में एक बड़ा, भारी BGA रखते हैं और फिर उस PCB को केवल दूर के कोनों में स्क्रू से माउंट करते हैं, तो आपने एक ट्रैम्पोलिन बना दिया है। जब वह ट्रैम्पोलिन झटका के दौरान मुड़ता है, तो वक्रता केंद्र में सबसे अधिक होती है—बिल्कुल वहीं जहां आपका BGA सोल्डर किया गया है।

पैड क्रेटरिंग के लिए सबसे प्रभावी समाधान शायद ही कभी नए लेमिनेट सामग्री से जुड़ा होता है। आमतौर पर, आपको केवल एक नया माउंटिंग स्क्रू चाहिए। बड़े BGA के पास एक स्टैंडऑफ या सपोर्ट बॉस जोड़ने से बोर्ड की स्थानीय कठोरता बढ़ती है, जिससे वह मुड़ना रुक जाता है जो दरार को बढ़ावा देता है। आप कंपन के दौरान बोर्ड के मोड आकार को बदल रहे हैं।

यह ट्रेस रूटिंग पर भी लागू होता है। जबकि "ट्रेस टियरिंग" क्रेटरिंग का एक संबंधी है (जहां तांबे का ट्रेस पैड के पास नेक-डाउन पर टूट जाता है), समाधान समान है। टियरड्रॉप्स और चौड़े एंट्री ट्रेसेस तनाव को वितरित करते हैं। लेकिन यदि बोर्ड को प्रभाव के दौरान 4 मिमी तक झुकने दिया जाता है, तो कोई भी ट्रेस मोटा करना पैड को बचा नहीं सकता।

आपको बल रेखाओं का पता लगाना होगा। देखें कि द्रव्यमान कहाँ है (बैटरियां, हीट सिंक, शील्ड) और देखें कि एंकर कहाँ हैं। यदि आपके संवेदनशील घटक इन बिंदुओं के बीच "फॉल्ट लाइन्स" पर बैठे हैं, तो आप अपने उत्पाद को एक पतली एपॉक्सी परत की फ्रैक्चर टफनेस पर निर्भर कर रहे हैं। यह एक जुआ है जिसे आप अंततः हार जाएंगे। द्रव्यमान को सुरक्षित करें, बोर्ड को स्थानीय रूप से कठोर बनाएं, और उम्मीद करना बंद करें कि रेजिन आपको बचाएगा।