“260°C” मिथक: क्यों उच्च-ताप कनेक्टर्स रिफ्लो में विफल होते हैं

कनेक्टर डेटा शीट पर सबसे महंगा नंबर अक्सर तापमान रेटिंग होता है। आप “260°C के लिए 10 सेकंड” देखते हैं और सुरक्षा मान लेते हैं। यह सुझाव देता है कि यदि आपका रिफ्लो प्रोफ़ाइल 245°C पर चरम पर पहुंचता है, तो आपके पास पंद्रह डिग्री का हेडरूम है।

यह एक खतरनाक कल्पना है। वह रेटिंग केवल यह सुनिश्चित करती है कि प्लास्टिक बेल्ट पर तरल गड्ढे में नहीं बदलेगा। यह वादा नहीं करता कि हाउसिंग पर्याप्त सपाट रहेगी ताकि सही तरीके से सोल्डर किया जा सके, और न ही यह कनेक्टर बॉडी और आपके पीसीबी के बीच हो रहे हिंसक थर्मल टग-ऑफ-वार को ध्यान में रखता है।

जब कोई कनेक्टर फील्ड में विफल होता है—या उससे भी बदतर, इन-सर्किट टेस्ट के दौरान लाइन के अंत में—तो यह शायद ही कभी इसलिए होता है क्योंकि प्लास्टिक पिघल गया। यह इसलिए होता है क्योंकि हाउसिंग इतना विकृत, झुकी या मुड़ी हुई होती है कि एक पिन पैड से उठ जाता है। उच्च-मिश्रण औद्योगिक दुनिया में, हम इसे लगातार देखते हैं: एक साफ-सुथरा दिखने वाला कनेक्टर “ओपन” के रूप में परीक्षण होता है क्योंकि केंद्र के पिन सोल्डर पेस्ट से दस माइक्रोन ऊपर तैर रहे होते हैं। घटक पिघला नहीं, लेकिन असेंबली प्रक्रिया के भौतिकी में विफल हुआ। यह समझने के लिए मार्केटिंग बुलेट पॉइंट्स को नजरअंदाज करना और शामिल सामग्री की थर्मल मैकेनिक्स को देखना आवश्यक है।

“केले” बोर्ड की भौतिकी

रिफ्लो केवल एक हीटिंग प्रक्रिया नहीं है; यह एक गतिशील यांत्रिक घटना है। जब पीसीबी ओवन में प्रवेश करता है, तो FR4 सब्सट्रेट फैलना शुरू हो जाता है। जैसे-जैसे तापमान SAC305 सोल्डर के लिक्विडस चरण (लगभग 217°C) की ओर बढ़ता है, बोर्ड X और Y अक्षों में बढ़ता है। ऊपर बैठा कनेक्टर भी फैल रहा होता है, लेकिन लगभग निश्चित रूप से अलग दर से।

यह थर्मल विस्तार गुणांक (CTE) असंगति है। यदि कनेक्टर लंबा है—जैसे, 100-पिन हेडर या PCIe एज कनेक्टर—तो प्लास्टिक हाउसिंग और फाइबरग्लास बोर्ड के बीच विस्तार में अंतर सोल्डर जॉइंट्स पर महत्वपूर्ण शीयर तनाव उत्पन्न करता है, इससे पहले कि वे ठोस हो जाएं।

यह तनाव “केले” प्रभाव में प्रकट होता है। यदि बोर्ड पतला है (0.8 मिमी या 1.0 मिमी) और कनेक्टर कठोर है, तो बोर्ड कनेक्टर के विस्तार से इनकार करने के कारण झुक जाएगा। इसके विपरीत, यदि बोर्ड मोटा है और कनेक्टर हाउसिंग कम स्थिर प्लास्टिक से बना है, तो हाउसिंग केंद्र में ऊपर की ओर झुकेगा, सिग्नल पिनों को उठाते हुए।

यह भयावह “हेड-इन-पिलो” दोष का मूल कारण है। सोल्डर बॉल पिघलता है और पिन गर्म होता है, लेकिन वे कभी एकल फिलेट में नहीं मिलते क्योंकि वे महत्वपूर्ण वेटिंग चरण के दौरान भौतिक रूप से अलग हो गए थे। आप एक्स-रे पर दिन भर घूर सकते हैं और स्टेंसिल एपर्चर को दोष दे सकते हैं, लेकिन यदि प्लास्टिक हाउसिंग ने सॉक ज़ोन के दौरान पिन को 0.15 मिमी उठा दिया, तो कोई भी सोल्डर पेस्ट ट्यूनिंग जॉइंट को ठीक नहीं करेगी।

अदृश्य चर: नमी

यहाँ तक कि यदि आप अपने CTEs को पूरी तरह से मेल भी खाते हैं, तो एक मौन चर अभी भी कोप्लेनैरिटी को बर्बाद कर सकता है: पानी। इंजीनियरिंग प्लास्टिक्स जैसे नायलॉन (PA66, PA46) और पॉलीफ्थलामाइड (PPA) हाइज्रोस्कोपिक होते हैं—वे पानी को पसंद करते हैं। यदि कनेक्टर का एक बैग एक ह्यूमिड वेयरहाउस में एक सप्ताह के लिए खुला छोड़ दिया जाता है, तो वे हाउसिंग हवा से नमी अवशोषित कर लेते हैं।

जब वह नमी 240°C के बिना सीसा वाले रिफ्लो ओवन के स्पाइक से टकराती है, तो प्लास्टिक के अंदर पानी केवल वाष्पित नहीं होता; यह भाप में बदल जाता है। यह आंतरिक दबाव एक निकास की तलाश करता है, जिससे पॉलिमर मैट्रिक्स के भीतर सूक्ष्म विस्फोट होते हैं।

अत्यधिक मामलों में, यह सतह पर दिखाई देने वाले फफोले या "पॉपकॉर्निंग" के रूप में प्रकट होता है। लेकिन अधिक खतरनाक विफलता एक सूक्ष्म विकृति है जो नग्न आंखों से दिखाई नहीं देती। भाप का दबाव कनेक्टर के सपाट बैठने वाले तल को विकृत कर देता है, इसे इतना मोड़ देता है कि कोप्लेनैरिटी विनिर्देशन खराब हो जाता है।

इसी कारण से कनेक्टर्स के लिए IPC/JEDEC J-STD-020 नमी संवेदनशीलता स्तरों (MSL) का पालन अनिवार्य है। यदि आप नायलॉन या PPA-आधारित भागों का उपयोग करते हैं, तो यदि उनकी फ्लोर लाइफ समाप्त हो जाती है तो उन्हें बेक करना आवश्यक है। कई असेंबली हाउस इस चरण को कनेक्टर्स के लिए छोड़ देते हैं, यह मानते हुए कि MSL रेटिंग केवल BGA चिप्स पर लागू होती है। वे गलत हैं, और यह मान लेना "रहस्यमय" यील्ड नुकसान का कारण बनता है जो एक ताजा, सूखे रील के लोड होते ही गायब हो जाता है।

सामग्री पदानुक्रम

विश्वसनीयता अंततः रेजिन पर निर्भर करती है। सभी "उच्च-तापमान" प्लास्टिक्स समान नहीं होते, और यहीं पर डेटा शीट अक्सर सच्चाई छुपाती है। बाजार में "संशोधित" या "ग्लास-फिल्ड" नायलॉन की भरमार है जो उच्च तापीय प्रतिरोध का दावा करते हैं। जबकि वे ओवन में पिघले बिना बच सकते हैं, उनका ग्लास ट्रांजिशन तापमान (Tg)—जहां सामग्री कठोर ठोस से नरम, रबर जैसी स्थिति में बदलती है—आपके संचालन या रिफ्लो तापमान के बहुत करीब हो सकता है।

लिक्विड क्रिस्टल पॉलिमर (LCP) एक कारण से स्वर्ण मानक है। इसमें स्वाभाविक रूप से कम नमी अवशोषण दर होती है और, अधिक महत्वपूर्ण, CTE तांबे और FR4 के बहुत करीब होता है। यह रिफ्लो स्पाइक तक कठोर और सपाट रहता है। यदि आप एक महत्वपूर्ण सिग्नल पथ या 0.8 मिमी से कम फाइन पिच वाला कनेक्टर डिजाइन कर रहे हैं, तो LCP अक्सर एकमात्र जिम्मेदार विकल्प होता है।

पॉलीफ्थलामाइड (PPA) सामान्य "बजट" विकल्प है। यह एक उच्च-तापमान नायलॉन है जो अच्छा प्रदर्शन करता है यदि यह सूखा होता है। हालांकि, इसकी आयामी स्थिरता LCP से कम है, और यह कठोरता के लिए भारी रूप से ग्लास फिल पर निर्भर करता है। यह पावर हेडर या बड़े पिच वाले भागों के लिए स्वीकार्य है, लेकिन फाइन-पिच अनुप्रयोगों में जोखिम उत्पन्न करता है।

नायलॉन 46 / 6T: ये पुराने उच्च-तापमान नायलॉन हैं। ये मजबूत और सस्ते होते हैं लेकिन नमी के लिए स्पंज की तरह काम करते हैं। आप इन्हें कई सामान्य कनेक्टर क्लोन पर देखेंगे। वे अक्सर डेटा शीट में "नोट 3" पर निर्भर करते हैं—रीफ्लो चक्रों की संख्या पर छोटे प्रिंट सीमाएं जिन्हें वे सहन कर सकते हैं। बाजार में इन प्लास्टिक्स के "बायो-आधारित" संस्करणों के प्रवेश के प्रति सावधान रहें; जबकि वे टिकाऊ हैं, कठोर औद्योगिक चक्र (थर्मल शॉक) में उनकी स्थिरता पर दीर्घकालिक डेटा अभी लिखा जा रहा है।

एक सामान्य नायलॉन हेडर और LCP संस्करण के बीच लागत का अंतर कुछ पैसे हो सकता है। लेकिन आपको इसे खराब गुणवत्ता की लागत (COPQ) के खिलाफ तौलना होगा। यदि एक नायलॉन हेडर विकृत हो जाता है और $500 PCB पर 2% फॉलआउट दर का कारण बनता है, तो BOM पर बचाए गए वे पैसे आपको स्क्रैप और पुनःकार्य श्रम में हजारों की लागत दे देते हैं।

यांत्रिक सुरक्षा

आप केवल सोल्डर जॉइंट पर यांत्रिक बलों से लड़ने के लिए भरोसा नहीं कर सकते। यदि कनेक्टर लंबा या भारी है, तो कंपन या थर्मल विस्तार के दौरान यह सोल्डर पैड्स पर भारी लीवरेज डालता है। केवल सिग्नल पिन द्वारा पकड़े गए SMT कनेक्टर औद्योगिक वातावरण में जोखिम हैं। आपको मेकैनिकल होल्ड-डाउन—धातु टैब या प्लास्टिक के पेग्स की आवश्यकता होती है जो हाउसिंग को PCB से जोड़ते हैं।

यह विशेष रूप से सच है यदि आप पिन-इन-पेस्ट (घुसपैठ रिफ्लो) प्रक्रिया का प्रयास कर रहे हैं, जहां थ्रू-होल कनेक्टर्स को रिफ्लो किया जाता है। यहां पेस्ट वॉल्यूम की गणना महत्वपूर्ण है, लेकिन ओवन के दौरान हाउसिंग की यांत्रिक स्थिरता उससे भी अधिक महत्वपूर्ण है। यदि कनेक्टर होल्ड-डाउन के अभाव में तैरता या झुकता है, तो आप एक विकृत भाग के साथ समाप्त होंगे जो मेल नहीं खा सकता।

केवल सतह-माउंट भागों के लिए, सुनिश्चित करें कि आपका स्टेंसिल डिज़ाइन घटक के “फ्लोट” को ध्यान में रखता है। कभी-कभी, एक बड़े कनेक्टर के केंद्र पैड्स पर एपर्चर को कम करने से भाग को पिघले हुए सोल्डर के कुशन पर हिलने से रोका जा सकता है, जिससे बाहरी पैड्स मजबूती से बैठ जाते हैं।

अंतिम गणना

कनेक्टर चुनने का लक्ष्य सबसे सस्ता भाग ढूंढना नहीं है जो फुटप्रिंट में फिट हो। यह वह भाग ढूंढना है जो निर्माण की कठोर भौतिकी और क्षेत्र संचालन की लंबी अवधि को सहन कर सके। 260°C का डेटा शीट रेटिंग एक प्रारंभिक बिंदु है, गारंटी नहीं।

जब आप कोई घटक चुनते हैं, तो सामग्री संरचना को देखें। रेजिन डेटा मांगें। यदि विक्रेता आपको यह नहीं बता सकता कि यह LCP है या नायलॉन 6T, तो दूर चले जाएं। थर्मल विस्तार और नमी अवशोषण की भौतिकी अजेय हैं। आप या तो स्थिर सामग्री और सही यांत्रिक डिज़ाइन चुनकर उनका सम्मान कर सकते हैं, या बाद में विफलता विश्लेषण प्रयोगशाला में इसके लिए भुगतान कर सकते हैं।