“अटूट” की उच्च लागत: मरम्मत योग्य रग्डाइजेशन के लिए एक गाइड

औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स में “ब्लैक ब्रिक” दृष्टिकोण में एक आकर्षक तर्क होता है। आप एक पूरी तरह से अच्छी पीसीबी लेते हैं, उसे एक हाउसिंग में डालते हैं, और असेंबली पर दो-भाग एपॉक्सी डालते हैं जब तक कि वह एम्बर में फंसे जीवाश्म की तरह न दिखे। यह ठोस लगता है। यह सुरक्षित लगता है। और एक विशिष्ट वर्ग के उपकरणों के लिए—सस्ते, डिस्पोजेबल, या मैरियाना ट्रेंच के तल पर तैनात—यह सही इंजीनियरिंग विकल्प है। लेकिन उच्च-मूल्य वाले औद्योगिक नियंत्रण बोर्ड, चिकित्सा उपकरण, या परिवहन एवियोनिक्स के लिए, पूर्ण एनकैप्सुलेशन अक्सर केवल यांत्रिक डिजाइन विफलता का एक महंगा स्वीकारोक्ति होता है।

जब एक पूरी तरह से पॉटेड यूनिट फील्ड में फेल हो जाती है, तो यह रिपेयर टिकट उत्पन्न नहीं करती; यह एक स्क्रैप रिपोर्ट उत्पन्न करती है। मान लीजिए कि टेलीमैटिक्स यूनिट्स का एक बैच हार्ड यूरेथेन जैसे Stycast 2651 में संलग्न है। यदि फर्मवेयर बग के कारण हार्डवेयर स्ट्रैप बदलना आवश्यक हो, या यदि एकल 0402 रेसिस्टर थर्मल साइक्लिंग के दौरान टूट जाता है, तो यूनिट प्रभावी रूप से मृत हो जाती है। तकनीशियन केवल घटक को बदल नहीं सकता। उन्हें एक पुरातत्ववेत्ता बनना पड़ता है, माइक्रो-मिल का उपयोग करके पॉटिंग सामग्री को पीसना पड़ता है, धूल में सांस लेना पड़ता है, और उपकरण के हर पास के साथ कॉपर ट्रेसेस को नुकसान पहुंचाने का जोखिम उठाना पड़ता है। उस बोर्ड को पुनर्प्राप्त करने की श्रम लागत अक्सर $150 प्रति घंटे से अधिक होती है, जो तेजी से हार्डवेयर के मूल्य से आगे निकल जाती है। "रग्ड" विकल्प आर्थिक विफलता का एकमात्र बिंदु बन जाता है।

हालांकि, आपको बोर्ड को नग्न छोड़ने की आवश्यकता नहीं है। बेहतर रास्ता चयनात्मक सुदृढ़ीकरण है। लक्ष्य पर्यावरणीय सुरक्षा को यांत्रिक स्थिरीकरण से अलग करना है। “दफन” की रणनीति से “एंकरिंग” की रणनीति की ओर बढ़कर, आप यूनिट का निरीक्षण, परीक्षण और मरम्मत करने की क्षमता बनाए रखते हैं, जिससे उत्पाद के जीवनचक्र में कुल स्वामित्व लागत में भारी कमी आती है।

थकान का भौतिकी: सोल्डर गोंद नहीं है

औद्योगिक इलेक्ट्रॉनिक्स का मुख्य दुश्मन शायद ही कभी नमी होती है; यह कंपन है। इंजीनियर अक्सर आईपी रेटिंग और आर्द्रता पर अत्यधिक ध्यान देते हैं, डरते हैं कि एक बूंद पानी MCU को शॉर्ट कर देगी। जबकि ऐसा होता है, कहीं अधिक घातक हत्यारा हार्मोनिक कंपन से होने वाली धातु थकान है। पीसीबी पर एक भारी घटक मूल रूप से एक स्प्रिंग पर एक द्रव्यमान होता है। “स्प्रिंग” कॉपर लीड्स और सोल्डर जॉइंट्स होते हैं।

सोल्डर एक जटिल धातु मिश्र धातु है जो विद्युत निरंतरता के लिए डिज़ाइन किया गया है, यांत्रिक संरचनात्मक अखंडता के लिए नहीं। इसकी तन्यता शक्ति कम होती है और यह चक्रीय तनाव के तहत जल्दी कठोर हो जाता है। जब एक भारी टोरॉइडल इंडक्टर या एक बड़ा इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर केवल अपने लीड्स द्वारा बोर्ड से जुड़ा होता है, तो यह एक मोमेंट आर्म बनाता है। उस बोर्ड को ड्रिलिंग रिग या डिलीवरी ट्रक पर रखें, और कंपन अंततः कॉपर लीड्स को थका देगा जब तक वे बोर्ड की सतह के साथ टूट न जाएं। कोई भी कॉन्फॉर्मल कोटिंग इसे रोक नहीं पाएगा।

वास्तव में, कई इंजीनियर इन्ग्रेस प्रोटेक्शन को वाइब्रेशन डैम्पिंग से भ्रमित करते हैं। वे “वाटरप्रूफिंग” मांगते हैं जबकि उन्हें वास्तव में यांत्रिक स्थिरीकरण की आवश्यकता होती है। यदि एनक्लोजर अपना काम करता है (IP67 या समान), तो कोटिंग को केवल संघनन को संभालना होता है। असली काम उस इंडक्टर को खुद को कंपन से मरने से रोकना है।

उच्च-कंपन वातावरण में VFD नियंत्रण बोर्ड के विफलता मोड को देखें। आप अक्सर भारी घटकों के लीड्स पर साफ टूट-फूट देखेंगे, जबकि हल्के सतह-माउंट भाग पूरी तरह से सुरक्षित रहेंगे। विफलता यादृच्छिक नहीं है। यह द्रव्यमान बनाम लीड कठोरता की प्रत्यक्ष गणना है। यदि कोई घटक लंबा, भारी, और पतले धातु के पैरों द्वारा पकड़ा गया है, तो यह एक टिक-टिक करता हुआ टाइम बम है। पूरे बोर्ड को रेजिन में दफनाने के बजाय, आप उस विशिष्ट द्रव्यमान को एक चिपकने वाले का उपयोग करके पीसीबी सब्सट्रेट से यांत्रिक रूप से जोड़ते हैं जो इस काम के लिए बनाया गया है।

रणनीतिक स्टेकिंग: एंकर पॉइंट्स

यहीं पर “स्टेकिंग” चित्र में आता है—भारी घटकों के आधार या किनारों पर संरचनात्मक चिपकने वाला लगाना। यह बोर्ड को मजबूत करने के लिए सबसे उच्च ROI गतिविधि है। एक भारी कैप के परिधि पर चिपकने वाले की एक फिलेट (जैसे UV-क्योर ऐक्रेलिक या उच्च-सान्द्रता सिलिकॉन) जोड़कर, आप पूरी यांत्रिकी को पूरी तरह बदल देते हैं। कंपन भार चिपकने वाले शरीर के माध्यम से FR4 लैमिनेट में स्थानांतरित होता है, न कि नाजुक कॉपर लीड्स के माध्यम से।

औद्योगिक वातावरण में सिलिकॉन के खिलाफ अक्सर एक त्वरित प्रतिक्रिया होती है, जो उन दिनों की एक परंपरा है जब एसिटिक एसिड-क्योरिंग सिलिकॉन तांबे को क्षरण करते थे और अस्थिर गैस उत्सर्जन रिले संपर्कों को खराब कर देता था। ये डर अब अधिकांशतः अप्रचलित हो चुके हैं। आधुनिक न्यूट्रल-क्योर, इलेक्ट्रॉनिक्स-ग्रेड RTVs (रूम टेम्परेचर वल्कनाइजिंग) और UV-क्योर स्टेकिंग सामग्री विशेष रूप से इन समस्याओं से बचने के लिए तैयार की गई हैं। इन्हें न उपयोग करने का जोखिम—एक भारी कैपेसिटर का टूट जाना—प्रदूषण के जोखिम से कहीं अधिक है, बशर्ते आप सही सामग्री चुनें।

हालांकि, गोंद की गुणवत्ता केवल सतह की तैयारी पर निर्भर करती है। आप केवल धूल भरे बोर्ड पर चिपकने वाला स्प्रे नहीं कर सकते और उम्मीद कर सकते हैं कि वह टिकेगा। एक मामले में, सौर इन्वर्टर्स में, फील्ड फेल्योर दर बढ़ गई क्योंकि असेंबली हाउस ने RTV को सीधे बिना साफ किए गए नो-क्लीन फ्लक्स अवशेषों पर लगाया था। सिलिकॉन बोर्ड से नहीं चिपका; यह बोर्ड की सतह पर जमी गंदगी से चिपका। कंपन के दौरान, चिपकने वाला छिल गया, और कैपेसिटर टूट गए। सतह ऊर्जा की एक सरल जांच—डाइन पेन का उपयोग करके या केवल कठोर प्रक्रिया नियंत्रण के माध्यम से—सैकड़ों हजारों डॉलर की वारंटी दावों को बचा सकती थी। नियम सरल है: जहां गोंद लगेगा उस स्थान को साफ करें, और सुनिश्चित करें कि चिपकने वाला एक फिलेट बनाए जो घटक के शरीर को बोर्ड की सतह से जोड़ता हो। कभी भी लीड्स को स्वयं गोंद न करें; पैकेज को गोंद करें।

बीजीए समझौता: कॉर्नर बॉन्डिंग

बॉल ग्रिड एरे (BGA) एक अनूठी चुनौती प्रस्तुत करते हैं। मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स (फोन, टैबलेट) में, उद्योग मानक कैपिलरी अंडरफिल (CUF) है—एक कम-सघनता वाला एपॉक्सी जो पूरे चिप के नीचे बहता है, इसे बोर्ड से लॉक कर देता है। यह ड्रॉप प्रोटेक्शन के लिए अच्छा है, लेकिन औद्योगिक मरम्मत के लिए यह एक दुःस्वप्न है। यदि किसी BGA को बदलना हो, तो पूरी तरह से अंडरफिल्ड चिप को हटाने से आमतौर पर पैड फट जाते हैं और PCB नष्ट हो जाता है।

औद्योगिक उपकरणों के लिए, जहां मुख्य तनाव थर्मल साइकलिंग और कंपन होता है बजाय कि फुटपाथ पर गिरने के, "कॉर्नर बॉन्डिंग" (या एज बॉन्डिंग) श्रेष्ठ रणनीति है। चिप के नीचे पूरे गैप को भरने के बजाय, आप BGA पैकेज के चार कोनों पर उच्च-सघनता वाला चिपकने वाला लगाते हैं। यह पैकेज को बोर्ड से लॉक करता है, जिससे बोर्ड के झुकने या कंपन के दौरान सोल्डर बॉल्स के टूटने से बचाव होता है।

कॉर्नर बॉन्डिंग की खूबसूरती इसकी निरीक्षणीयता में निहित है। पूर्ण अंडरफिल के साथ, आप चिप के नीचे क्या हो रहा है यह नहीं देख सकते। एपॉक्सी में 30% voiding हो सकता है जो हॉटस्पॉट्स बनाता है, और आप केवल तब जान पाएंगे जब आप विनाशकारी क्रॉस-सेक्शन या महंगी एक्स-रे विश्लेषण करें। कॉर्नर बॉन्डिंग के साथ, एरे का केंद्र खुला रहता है। फ्लक्स अवशेष रिफ्लो के दौरान गैस छोड़ सकते हैं बिना फंसे हुए (जो अंडरफिल्ड पार्ट्स में "पॉपकॉर्निंग" का सामान्य कारण है)। यदि चिप फेल हो जाता है, तो तकनीशियन चिपकने वाले के चार कोनों को काट सकता है, पार्ट को रिफ्लो कर सकता है, और इसे बिना पैड्स को नुकसान पहुंचाए बदल सकता है। आपको अंडरफिल की 80% यांत्रिक सुरक्षा मिलती है और 100% पुनःकार्यशीलता।

रसायन विज्ञान एक सेवा योग्यता विशेषता के रूप में

एक बार स्टेकिंग और बॉन्डिंग के साथ यांत्रिक भारी काम पूरा हो जाने के बाद, आप पर्यावरणीय सुरक्षा के लिए कॉनफॉर्मल कोटिंग का उपयोग कर सकते हैं। यहां, आपकी चुनी हुई रसायन विज्ञान उत्पाद की सेवा योग्यता को निर्धारित करती है। कई इंजीनियर यूटेरेन कोटिंग्स को प्राथमिकता देते हैं क्योंकि वे मजबूत और सॉल्वेंट-प्रतिरोधी होती हैं। लेकिन खुद से पूछें: क्या आप चाहते हैं कोटिंग सॉल्वेंट-प्रतिरोधी हो?

यदि कोई बोर्ड बर्न-इन में फेल हो जाता है या फील्ड मरम्मत की जरूरत होती है, तो यूटेरेन कोटिंग एक बाधा होती है। इसे हटाने के लिए अक्सर कठोर स्ट्रिपर्स या भौतिक घर्षण की आवश्यकता होती है, जो घटकों को नुकसान पहुंचाता है। दूसरी ओर, ऐक्रेलिक कोटिंग्स (जैसे Humiseal 1B31 या समान) आसानी से घुल जाती हैं। एक तकनीशियन सॉल्वेंट पेन लेकर किसी विशेष परीक्षण बिंदु या घटक पर कोटिंग को घुला सकता है, मरम्मत कर सकता है, और फिर केवल उस क्षेत्र को पुनः कोट कर सकता है।

हमने यह एक कॉन्ट्रैक्ट निर्माता में शेनझेन में देखा, जहां यूटेरेन से ऐक्रेलिक में बदलाव ने एक उत्पादन आपदा को एक प्रबंधनीय प्रक्रिया में बदल दिया। पुनःकार्य तकनीशियन आवश्यक होने पर सीधे ऐक्रेलिक कोटिंग के माध्यम से सोल्डर कर सकते थे (इसकी गंध भयानक होती है, लेकिन यह काम करता है), या इसे सेकंडों में पोंछ सकते थे। उत्पादन पुनर्प्राप्ति लगभग शून्य से बढ़कर 95% से अधिक हो गई। जब तक आपका उपकरण ऐसे वातावरण में नहीं जा रहा है जहां विशिष्ट रासायनिक खतरे ऐक्रेलिक्स को घोलते हैं (जैसे ईंधन वाष्प या कठोर सफाई एजेंट), ऐक्रेलिक्स की सेवा योग्यता आमतौर पर यूटेरेन की टिकाऊपन से अधिक होती है।

रीवर्क सिमुलेशन

रग्डाइजेशन एक इंजीनियरिंग समस्या लगती है, लेकिन वास्तव में यह एक आर्थिक गणना है। आपको डिजाइन चरण के दौरान अपने दिमाग में "पुनःकार्य सिमुलेशन" चलाना चाहिए। कल्पना करें कि एक तकनीशियन एक मानक सोल्डरिंग आयरन और माइक्रोस्कोप के साथ आपके बोर्ड की मरम्मत करने की कोशिश कर रहा है। क्या वे परीक्षण बिंदुओं को जांच सकते हैं? क्या वे मुख्य MCU को बदल सकते हैं?

यदि बोर्ड की बिल ऑफ मटेरियल्स (BOM) लागत $50 से कम है, तो शायद आपको परवाह नहीं है। इसे पॉट करें, सील करें, और यदि यह टूट जाए, तो इसे श्रेडर में फेंक दें। लेकिन यदि वह बोर्ड $500 या $2,000 का है, और यह एक महत्वपूर्ण औद्योगिक प्रणाली का हिस्सा है, तो आप जो भी बाधाएं मरम्मत तकनीशियन के सामने रखते हैं, वे एक दायित्व हैं। द्रव्यमान के लिए स्टेकिंग, BGAs के लिए कॉर्नर बॉन्डिंग, और सतह के लिए पुनःकार्यशील कोटिंग्स का उपयोग करके, आप एक ऐसा उत्पाद बनाते हैं जो फील्ड में जीवित रहता है लेकिन वहां मरना नहीं पड़ता।