“भूत” विफलता: क्यों प्रेस-फिट कनेक्टर्स फैक्ट्री छोड़ने के बाद बाहर निकल जाते हैं

आपने रिपोर्ट देखी है। उत्पादन लाइन का डेटा पूरी तरह से हरा दिखा रहा है। हर एक इन्सर्शन फोर्स कर्व विनिर्देश के भीतर था। लाइन के अंत में रिटेंशन जांचों के लिए पिन को हटाने के लिए मानक 30 न्यूटन की आवश्यकता थी। गुणवत्ता आश्वासन प्रबंधक ने मंजूरी दी, पैलेट लपेटे गए, और कंटेनर डॉक छोड़ गया। फिर भी, तीन महीने बाद, फील्ड रिटर्न्स बढ़ रहे हैं। ग्राहक अस्थायी पावर लॉस, सेंसर रिसेट या कनेक्टर्स की रिपोर्ट कर रहे हैं जो भौतिक रूप से PCB से बाहर निकल गए हैं।

यह इंटरकनेक्ट दुनिया की "भूत" विफलता है। यह परेशान करने वाला है क्योंकि असेंबली के समय उत्पाद परफेक्ट था। डेटा शीट कहती थी कि पिन छेद में फिट होता है। इन्सर्शन मशीन ने पुष्टि की कि बल सामान्य था। लेकिन भौतिकी तब नहीं रुकती जब बॉक्स टेप से बंद हो जाता है। यदि आप पांच वर्षों के थर्मल साइकलिंग के दौरान एक लचीले पिन के व्यवहार की भविष्यवाणी के लिए कमरे के तापमान पर सत्यापन पर भरोसा करते हैं, तो आप विश्वसनीयता के लिए परीक्षण नहीं कर रहे हैं; आप भाग्य के लिए परीक्षण कर रहे हैं। विफलता तंत्र इन्सर्शन नहीं है। यह पिन, कॉपर बैरल, और परिवहन और संचालन के दौरान सामग्री के निरंतर विस्तार और संकुचन के बीच अदृश्य युद्ध है।

छोड़ने का भौतिकी

समझने के लिए कि पिन क्यों गिरता है, घर्षण को भूल जाएं। संग्रहीत ऊर्जा के बारे में सोचें। एक प्रेस-फिट जॉइंट काम करता है क्योंकि आपने एक लचीली स्प्रिंग (पिन) को एक कठोर बैरल (प्लेटेड थ्रू-होल) में मजबूर किया है। पिन संकुचित होता है, संभावित ऊर्जा संग्रहीत करता है। यह ऊर्जा कॉपर की दीवारों के खिलाफ दबाव डालती है, "सामान्य बल" बनाती है जो घर्षण और गैस-टाइट विद्युत सील उत्पन्न करता है। पहले दिन, यह बल अपने चरम पर होता है। धातु स्प्रिंग जैसा होता है, कॉपर ताजा होता है, और पकड़ मजबूत होती है।

लेकिन धातु स्थिर ठोस नहीं है; यह बहती है। समय के साथ, उच्च तनाव और तापमान के तहत, कॉपर पिन और PCB प्लेटिंग की परमाणु संरचना अपने आंतरिक तनाव को कम करने के लिए खुद को पुनः व्यवस्थित करने लगती है। इसे तनाव विश्राम कहते हैं। एक औद्योगिक कंट्रोलर की खेप को समुद्री मालवाहक द्वारा ताइवान की आर्द्र गर्मी से दुबई के गोदाम तक भेजा जाता है। उस शिपिंग कंटेनर के अंदर, तापमान आसानी से रात में 20°C और दिन में 60°C या उससे अधिक के बीच चक्रित हो सकता है। चार सप्ताह तक, वह कनेक्टर पक रहा है।

60°C पर, विश्राम प्रक्रिया तेज हो जाती है। पिन का कॉपर मिश्र धातु (विशेष रूप से यदि यह उच्च प्रदर्शन फॉस्फोर ब्रॉन्ज़ या बेरिलियम कॉपर के बजाय कम ग्रेड जैसे ब्रास है) झुकने लगता है। यह प्रभावी रूप से अपनी मूल आकृति को "भूल" जाता है और संकुचित आकृति में विश्राम करता है। जब यूनिट अंततः ठंडी होती है, तो पिन उसी बल के साथ वापस नहीं उछलता। सामान्य बल—जो उस कनेक्टर को कंपन के खिलाफ जगह पर रखता है—कम हो गया है। आप 40 न्यूटन की रिटेंशन से शुरू कर सकते थे, लेकिन "शिपिंग कंटेनर ओवन" में एक महीने के बाद, यह 15 न्यूटन तक गिर सकता है। घर्षण खत्म हो गया है, और पहली बार फोर्कलिफ्ट जब पैलेट गिराता है, भारी केबल हार्नेस की जड़त्व कनेक्टर को ढीला कर देती है।

सभी आंदोलन विफलता नहीं है। आप प्लास्टिक हाउसिंग को हिला सकते हैं और हल्की "झकझकाहट" महसूस कर सकते हैं। यह अक्सर QA में घबराहट पैदा करता है, लेकिन हाउसिंग रिटेंशन तंत्र नहीं है; पिन-टू-होल इंटरफेस है। प्लास्टिक हाउसिंग तैरती है; पिनों को एंकर किया जाना चाहिए। हालांकि, यदि वह झकझकाहट पिनों को प्लेटेड थ्रू-होल के भीतर हिलाने में बदल जाती है, तो गैस-टाइट सील टूट जाती है। ऑक्सीकरण तुरंत शुरू होता है, प्रतिरोध बढ़ता है, और अस्थायी विफलताएं शुरू होती हैं।

शीत युद्ध: CTE असंगति

यदि गर्मी स्प्रिंग को आराम देती है, तो ठंड लॉक तोड़ती है। दूसरा अदृश्य दुश्मन थर्मल विस्तार गुणांक (CTE) है। हर सामग्री अलग-अलग दर से फैलती और सिकुड़ती है। आपके PCB का FR4 फाइबरग्लास Z-अक्ष में लगभग 14-17 ppm/°C का CTE रखता है। कनेक्टर हाउसिंग का PBT या नायलॉन प्लास्टिक तीन से चार गुना अधिक CTE हो सकता है।

कल्पना करें कि एक वाहन का डैशबोर्ड क्लस्टर स्कैंडिनेवियाई सर्दियों के दौरान बाहर पार्क किया गया है। तापमान -30°C तक गिर जाता है। प्लास्टिक कनेक्टर हाउसिंग काफी सिकुड़ना चाहता है। PCB भी सिकुड़ना चाहता है, लेकिन बहुत कम। प्लास्टिक हाउसिंग सिकुड़ती है, पिनों को खींचती है। चूंकि पिन बोर्ड में एंकर हैं, यह एक विशाल शीयर लोड बनाता है। हाउसिंग सचमुच पिनों को साइडवेज़ खींचने या छेदों से बाहर निकालने की कोशिश कर रही है।

एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए सिस्टम में, पिन का लचीला क्षेत्र इस तनाव को अवशोषित करता है। यह झुकता है। लेकिन यदि पिन बहुत कठोर है, या यदि तनाव विश्राम से रिटेंशन बल पहले ही कमजोर हो चुका है, तो हाउसिंग जीत जाती है। यह पिनों को छेदों से बाहर निकाल देती है। यही कारण है कि आप फील्ड रिटर्न्स में अक्सर "झुके हुए" कनेक्टर्स देखते हैं। वे शुरू में ऐसे नहीं थे। वे इंजन के हर थर्मल साइकल के साथ मिलीमीटर दर मिलीमीटर रैचेट-जैक किए गए थे।

अदृश्य चर: छेद

इंजीनियर पिन को लेकर जुनूनी होते हैं। वे मिश्र धातु—C7025 बनाम C5191—और “सुई की आंख” के ज्यामिति पर बहस करते हैं। लेकिन वे शायद ही कभी छेद की जांच करते हैं। कई मामलों में, पिन ठीक होता है, लेकिन बोर्ड शुरू से ही खराब था।

प्रेस-फिट छेद के लिए विनिर्देशन बेहद सख्त होता है—समाप्त छेद के आकार पर +/- 0.05 मिमी की सहिष्णुता। लेकिन व्यास से अधिक महत्वपूर्ण है प्लेटिंग की अखंडता। एक मानक IPC-6012 क्लास 2 बोर्ड बैरल में औसतन 20 माइक्रोन तांबे की मांग कर सकता है। लेकिन प्लेटिंग कभी समान नहीं होती। छेद के “घुटने” पर—जहां बैरल सतह से मिलता है—निर्माण के दौरान करंट डेंसिटी वितरण के कारण प्लेटिंग पतली हो सकती है।

यदि कोई पीसीबी विक्रेता पैसे बचाने के लिए प्लेटिंग बाथ को बहुत तेज चलाता है, तो आपको “डॉग बोन” प्रभाव मिलता है जहाँ तांबा सिरों पर मोटा और बीच में पतला होता है, या भंगुर तांबा जो तनाव में दरारें पड़ता है। जब आप भंगुर या पतली प्लेटिंग वाले छेद में प्रेस-फिट पिन ठोकते हैं, तो लचीला हिस्सा केवल संकुचित नहीं होता; यह तांबे को फाइबरग्लास की दीवार से फाड़ देता है। आपने यूनिट के फैक्ट्री छोड़ने से पहले ही एंकर की यांत्रिक अखंडता को नष्ट कर दिया है। पिन शुरू में तंग महसूस होता है क्योंकि यह ग्लास वेव में फंसा होता है, लेकिन ग्लास दबाव (क्रीप) के तहत धातु की तुलना में बहुत तेज़ी से बहता है। कुछ हफ्तों के कंपन के बाद, वह पिन ढीला हो जाएगा।

गलत समाधान और खतरनाक पट्टियाँ

जब उत्पादन को पता चलता है कि कनेक्टर्स का एक बैच ढीला है, तो स्वाभाविक रूप से इसे तुरंत ठीक करने की कोशिश होती है। सबसे आम—और खतरनाक—प्रश्न होता है: “क्या हम इन्हें बस वेव सोल्डर से जोड़ सकते हैं ताकि ये प्रेस-फिट पिन जगह पर टिक जाएं?”

यह “सोल्डरिंग बैंड-एड” है, और यह आमतौर पर चीजों को और खराब कर देता है। प्रेस-फिट पिन सटीक स्प्रिंग होते हैं। वे उस धातु के टेंपर पर निर्भर करते हैं जो हमने चर्चा की गई संग्रहीत ऊर्जा को बनाए रखता है। यदि आप उस स्प्रिंग को वेव सोल्डर बाथ (260°C+) की गर्मी के संपर्क में लाते हैं, तो आप धातु को एनील कर देते हैं। आप स्प्रिंग को नरम कर देते हैं। आपको नीचे सोल्डर फिलेट मिल सकता है, लेकिन आपने बैरल के अंदर गैस-टाइट सील बनाने वाले आंतरिक तनाव को नष्ट कर दिया है। इसके अलावा, सोल्डरिंग प्रक्रिया से फ्लक्स संपर्क क्षेत्र में चढ़ सकता है, जिससे बाद में जंग लग सकती है। जब तक पिन विशेष रूप से “हाइब्रिड” के रूप में डिज़ाइन न किया गया हो (जो दुर्लभ है), इसे सोल्डर वेव से दूर रखें।

दूसरी आम हताशा की चाल पुनःकार्य है। “ऑपरेटर ने इसे पूरी तरह से नहीं बैठाया। क्या हम इसे दबाकर निकाल सकते हैं और नया पिन दबा सकते हैं?” जवाब लगभग हमेशा नहीं होता। प्रेस-फिट कनेक्शन एक बार की धातुविज्ञान घटना है। पहली बार डालने पर छेद में तांबा प्लास्टिक रूप से विकृत हो जाता है। यह बैरल को वर्क-हार्डन करता है। यदि आप उसी छेद में नया पिन दबाते हैं, तो पकड़ने की ताकत पहली बार से 40-50% कम होगी। तांबे में अब और “देने” की क्षमता नहीं बची है; यह फट जाएगा या पकड़ नहीं पाएगा। जब तक आपके पास ओवरसाइज़्ड “मरम्मत पिन” तक पहुंच न हो (जो स्टॉक करने में लॉजिस्टिक दुःस्वप्न होते हैं), खराब डाला गया पिन आमतौर पर बोर्ड को स्क्रैप करने का मतलब होता है।

सत्यापन जो वास्तव में विफलता की भविष्यवाणी करता है

आप डेटा शीट पर भरोसा नहीं कर सकते। विक्रेता की रिटेंशन फोर्स स्पेक्स प्रयोगशाला में ड्रिल किए गए परिपूर्ण छेदों पर आधारित होती हैं, न कि उन बड़े पैमाने पर उत्पादित बोर्डों पर जिन्हें आप वास्तव में खरीद रहे हैं।

इन फील्ड फेल्योर को रोकने के लिए, आपको केवल घटक नहीं बल्कि सिस्टम को मान्य करना होगा। इसका मतलब है कि आपके विशिष्ट कनेक्टर और आपके विशिष्ट पीसीबी (आपके वास्तविक बोर्ड हाउस से, न कि प्रोटोटाइप शॉप से) को थर्मल शॉक और कंपन के अधीन करना। असेंबली को -40°C से 105°C (या आपका संचालन सीमा जो भी हो) तक 500 या 1000 चक्रों के लिए चलाएं। फिर, और केवल तब, रिटेंशन फोर्स मापें।

यदि पिन को खींचने के लिए लगने वाली ताकत उस केबल हार्नेस के वजन से कम है जो उससे जुड़ा है, तो आपके पास समस्या है। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि उत्पादन लाइन पर इसे निकालने में 50 न्यूटन लगे। यदि थर्मल साइकलिंग के एक महीने बाद इसे निकालने में 2 न्यूटन लगते हैं, तो आपका उत्पाद एक समय बम है। भौतिकी अजेय है; अपनी प्रतिष्ठा इसके खिलाफ दांव न लगाएं।