“केला बोर्ड” का भौतिकी: क्यों लंबे PCB विकृत होते हैं और इसे कैसे ठीक करें

आप 10-ज़ोन रिफ्लो ओवन के अनलोडर पर खड़े हैं, एक 600 मिमी एलईडी स्ट्रिप या एक लंबा औद्योगिक कंट्रोलर बोर्ड सुरंग से बाहर निकलते हुए देख रहे हैं। बोर्ड का मध्य हिस्सा स्पष्ट रूप से झुका हुआ है, शायद मेष बेल्ट को भी खरोंच रहा है। या इससे भी बदतर, बोर्ड नग्न आंखों से सपाट दिखता है, लेकिन कार्यात्मक परीक्षण विफल हो रहा है। दूर के कनेक्टरों में खुले पिन हैं, या केंद्र बीजीए खुले सर्किट दिखा रहे हैं।

अधिकांश कारखानों में तत्काल प्रवृत्ति थर्मल प्रोफ़ाइल को दोष देना होती है। तर्क सही लगता है: यदि सोल्डर गीला नहीं हो रहा है या जोड़ टूट रहे हैं, तो निश्चित रूप से ओवन सेटिंग्स गलत हैं। आप प्रक्रिया इंजीनियर को कॉल करते हैं। वे एक थर्मोकपल लगाते हैं, बेल्ट की गति धीमी कर देते हैं ताकि "इसे अधिक समय तक भिगोया जा सके," और पीक तापमान को 5°C बढ़ा देते हैं।

यह "प्रोफ़ाइल जाल" है। यह लंबे फॉर्म-फैक्टर असेंबली के लिए एसएमटी समस्या निवारण में सबसे सामान्य त्रुटि है।

यदि कोई बोर्ड भौतिक रूप से विरूपित हो रहा है—आलू चिप की तरह मुड़ रहा है या हेमॉक की तरह झुक रहा है—तो कोई भी हवा समायोजन इसे ठीक नहीं करेगा। आप गुरुत्वाकर्षण से बाहर निकलने के लिए प्रोफ़ाइल नहीं बना सकते। आप थर्मल विस्तार गुणांक (CTE) के साथ समझौता करने के लिए "सोख क्षेत्र" का उपयोग नहीं कर सकते। जब एक लंबा बोर्ड केवल सिरों या मृत केंद्र पर विफल होता है, तो ओवन प्रोफ़ाइल आमतौर पर निर्दोष होती है। दोषी यांत्रिक होता है।

बाइमेटलिक स्ट्रिप प्रभाव

विरूपण को हल करने के लिए, बोर्ड को एक विद्युत इंटरकनेक्ट के रूप में सोचना बंद करें और इसे एक यांत्रिक लैमिनेट के रूप में देखें। एक पीसीबी मूल रूप से फाइबरग्लास-प्रबलित एपॉक्सी (FR4) और तांबे की पन्नी का सैंडविच होता है। ये दो सामग्री गर्म होने पर एक-दूसरे से नफरत करती हैं।

FR4 एक विशिष्ट दर से फैलता है (ppm/°C में मापा जाता है)। तांबा एक अलग दर से फैलता है। एक लंबे, संकीर्ण बोर्ड पर, यह असंगति भारी आंतरिक तनाव पैदा करती है। लेकिन असली समस्या तब शुरू होती है जब स्टैक-अप असंतुलित होता है।

एक मानक 4-परत बोर्ड पर विचार करें। यदि परत 1 घने सिग्नल ट्रेसेस से ढकी है और परत 4 एक ठोस तांबे की ग्राउंड पोर है, तो आपने एक बाइमेटलिक स्ट्रिप बना दी है। जैसे ही बोर्ड 245°C पीक रिफ्लो तापमान तक पहुंचता है, अधिक तांबे वाला पक्ष विस्तार को रोकता है, जबकि रेजिन-भारी पक्ष बढ़ना चाहता है। परिणाम एक झुकाव या मोड़ होता है।

यह "टॉम्बस्टोनिंग" से अलग है, जहां एक छोटा घटक जैसे 0402 एक छोर पर खड़ा हो जाता है। टॉम्बस्टोनिंग, जो गीलेपन की ताकतों और असमान सोल्डर खींचाव से प्रेरित होता है, के विपरीत, विरूपण एक संरचनात्मक विफलता है जहां सब्सट्रेट स्वयं हिलता है। यदि आप बोर्ड के कोनों पर मुड़ते हुए देखते हैं, तो यह गीलेपन की समस्या नहीं है; यह तांबे की व्यवस्था फाइबरग्लास से लड़ रही है, और तांबा जीत रहा है।

गुरुत्वाकर्षण और ग्लास संक्रमण

दूसरा दुश्मन स्वयं सामग्री है। हर FR4 लैमिनेट का एक ग्लास ट्रांजिशन तापमान (Tg) होता है। इस तापमान से नीचे, रेजिन कठोर और कांच जैसा होता है। इसके ऊपर, रेजिन नरम, रबर जैसा और लचीला हो जाता है।

मानक “हाई-Tg” सामग्री के लिए, यह संक्रमण लगभग 170°C पर होता है। हालांकि, SAC305 सोल्डर पेस्ट 217°C तक पिघलना शुरू भी नहीं करता। इसका मतलब है कि रिफ्लो प्रक्रिया के सबसे महत्वपूर्ण भाग—तरल अवस्था से ऊपर बिताए गए 60 से 90 सेकंड—के दौरान आपका सर्किट बोर्ड प्रभावी रूप से एक गीला नूडल होता है।

यदि आप 600 मिमी लंबा बोर्ड चलाते हैं जो केवल 1.0 मिमी या 1.6 मिमी मोटा है, और आप इसे केवल कन्वेयर रेलों के किनारों से सहारा देते हैं, तो गुरुत्वाकर्षण प्रभावी हो जाता है। रेजिन 170°C पर नरम हो जाता है, बोर्ड अपनी संरचनात्मक कठोरता खो देता है, और केंद्र नीचे की ओर धंस जाता है।

इंजीनियर अक्सर इसे टालने के लिए कम तापमान वाले सोल्डर मिश्र धातुओं (जैसे BiSn, जो 138°C पर पिघलता है) का उपयोग करने की कोशिश करते हैं। जबकि इससे आप कुछ सामग्रियों के Tg से नीचे रहते हैं, यह भंगुर जोड़ बनाता है और कठोरता की मूल कमी को हल नहीं करता। यदि स्पैन पर्याप्त चौड़ा है, तो गुरुत्वाकर्षण उच्च-Tg सामग्री को भी हरा देगा। बोर्ड झुक जाएगा, केंद्र के घटक सोल्डर से भर जाएंगे या पुल बन जाएंगे, और रेल के पास के कनेक्टर अंदर की ओर मुड़ जाएंगे।

अदृश्य अपराध स्थल

वॉर्प-प्रेरित दोषों का सबसे निराशाजनक हिस्सा यह है कि जब आप इसे देखते हैं तब तक सबूत गायब हो जाते हैं।

जब बोर्ड 245°C पर ओवन के अंदर होता है, तो यह 2 मिमी ऊपर की ओर (भौंहें तानी हुई) झुका हो सकता है। इस स्थिति में, केंद्र में एक BGA घटक पूरी तरह से अपने पैड से उठ सकता है। सोल्डर बॉल पिघलता है, लेकिन यह हवा में लटका रहता है, PCB पर पेस्ट को छूता नहीं है। यह ऑक्सीकरण करता है और एक परत बनाता है।

फिर, जब बोर्ड कूलिंग ज़ोन में प्रवेश करता है, तो रेजिन फिर से कठोर हो जाता है। बोर्ड अपनी मूल सपाट आकृति में वापस आ जाता है। BGA बॉल पैड पर गिरता है, लेकिन तब तक बहुत देर हो चुकी होती है। सोल्डर पहले ही जम चुका होता है। बॉल पैड पर एक तकिए की तरह आराम करता है। यह भौतिक संपर्क बनाता है, लेकिन कोई विद्युत बंधन नहीं बनाता।

यह क्लासिक “हेड-इन-पिलो” (HiP) दोष है। परीक्षण स्टेशन पर, आप चिप को दबाते हैं और यह पास हो जाता है। आप छोड़ते हैं, और यह फेल हो जाता है। एक्स-रे ठीक दिखता है क्योंकि बॉल का आकार गोल होता है। केवल तब जब आप विनाशकारी परीक्षण करते हैं, जैसे “डाई-एंड-प्राई” या क्रॉस-सेक्शन विश्लेषण, तब आप सूक्ष्म अंतर देखते हैं। दोष चरम तापमान पर हुआ था, लेकिन बोर्ड कमरे के तापमान पर निर्दोष दिखता है।

यांत्रिक उपचार (वास्तविक समाधान)

चूंकि समस्या यांत्रिक है, समाधान भी यांत्रिक होना चाहिए। आप सोल्डरिंग प्रोफ़ाइल से कठोरता की कमी को ठीक नहीं कर सकते। आप इसे समर्थन जोड़कर ठीक करते हैं।

झुके हुए बोर्ड के लिए सबसे प्रभावी समाधान है सेंटर बोर्ड सपोर्ट (CBS). अधिकांश आधुनिक रिफ्लो ओवन (जैसे Heller, BTU, या Rehm के विक्रेता) यह विकल्प प्रदान करते हैं। यह एक पतली चेन या पार्किंग-ब्रेक-शैली के पिनों की एक श्रृंखला होती है जो टनल के बिल्कुल केंद्र से नीचे जाती है। यह भौतिक रूप से बोर्ड के मध्य को सहारा देता है, झुकाव को रोकता है।

यदि आपके ओवन में CBS नहीं है, या नीचे की ओर के घटक चेन के उपयोग को रोकते हैं, तो आपको रिफ्लो पैलेट का उपयोग करना होगा।

पैलेट एक उपकरण है जो ड्यूरोस्टोन या रिकॉसेल जैसी कंपोजिट सामग्री से बना होता है। ये सामग्री महंगी होती हैं—एक कस्टम उपकरण की कीमत जटिलता के आधार पर $300 से $800 तक हो सकती है [[VERIFY]]—लेकिन ये थर्मली स्थिर होती हैं। ये 260°C पर विकृत नहीं होतीं। आप कमजोर PCB को कठोर पैलेट के अंदर रखते हैं, और पैलेट इसे ओवन के माध्यम से सपाट रखता है।

प्रबंधक अक्सर लागत को लेकर हिचकिचाते हैं। "यह एक अतिरिक्त उपभोग्य है," वे कहते हैं। "यह थर्मल मास जोड़ता है, इसलिए हमें लाइन को धीमा करना पड़ता है।" यह सच है। लेकिन $500 फिक्सचर की लागत की तुलना उच्च-मूल्य औद्योगिक नियंत्रण बोर्डों की 20% उत्पादन रन को स्क्रैप करने की लागत से करें। एक पैलेट पर ROI आमतौर पर दिनों में मापा जाता है, महीनों में नहीं।

डिज़ाइन शमन

यदि आप बोर्ड के लेआउट से पहले शामिल होने के लिए पर्याप्त भाग्यशाली हैं, तो आप ऊपर की ओर वॉर्प से लड़ सकते हैं। डिजाइनर के किट में सबसे शक्तिशाली उपकरण "कॉपर थीविंग" या संतुलन है।

सुनिश्चित करें कि कॉपर घनत्व स्टैक-अप के पार लगभग सममित है। यदि शीर्ष परत 80% कॉपर फिल है, तो निचली परत समान होनी चाहिए। यदि आपके पास बिना ट्रेसेस के एक बड़ा खुला क्षेत्र है, तो CTE तनाव को संतुलित करने के लिए तैरते हुए कॉपर वर्गों का एक ग्रिड (थीविंग) जोड़ें। यह बाइमैटलिक कर्लिंग प्रभाव को रोकता है।

यहाँ तक कि पैनलाइजेशन भी एक भूमिका निभाता है। ब्रेकअवे रेल्स पर बहुत अधिक सामग्री छोड़ना एक सख्त करने वाला या तनाव उत्पन्न करने वाला हो सकता है, जो फाइबरग्लास के अनाज पर निर्भर करता है।

निर्णय

जब आप एक लंबे बोर्ड को सिरों या केंद्र में फेल होते देखें, तो लाइन रोक दें। जोन तापमान को छूएं नहीं। बेल्ट की गति धीमी न करें।

अपने आप से पूछें: क्या यह बोर्ड सपाट है? बो का मापन करें। कॉपर संतुलन देखें। लैमिनेट की Tg रेटिंग जांचें। यदि बोर्ड मुड़ रहा है, तो आपको एक फिक्सचर या केंद्र समर्थन की आवश्यकता है। SMT प्रक्रिया में भौतिकी अजेय है। आपको बोर्ड का समर्थन करना होगा, क्योंकि रेजिन निश्चित रूप से खुद का समर्थन नहीं करेगा।