Mitos “260°C”: Mengapa Konektor Suhu Tinggi Gagal dalam Reflow

Angka paling mahal pada lembar data konektor sering kali adalah rating suhu. Anda melihat “260°C selama 10 detik” dan menganggapnya aman. Ini menunjukkan bahwa jika profil reflow Anda mencapai puncak pada 245°C, Anda memiliki ruang kepala lima belas derajat.

Itu adalah fiksi yang berbahaya. Rating itu hanya menjamin plastik tidak akan berubah menjadi genangan cairan di sabuk. Itu tidak menjanjikan bahwa rumahannya akan tetap cukup datar untuk disolder dengan benar, juga tidak memperhitungkan tarik-menarik termal yang keras yang terjadi antara badan konektor dan PCB Anda.

Ketika sebuah konektor gagal di lapangan—atau lebih buruk, di akhir jalur selama Tes In-Circuit—jarang karena plastik meleleh. Itu karena rumahannya melengkung, membengkok, atau memutar cukup untuk mengangkat pin dari pad. Dalam dunia industri dengan variasi tinggi, kami sering melihat ini: konektor yang tampak sempurna diuji sebagai “terbuka” karena pin tengah mengambang sepuluh mikron di atas pasta solder. Komponen tidak meleleh, tetapi gagal dalam fisika proses perakitan. Memahami alasannya membutuhkan mengabaikan poin-poin pemasaran dan melihat mekanika termal dari material yang terlibat.

Fisika dari Papan “Pisang”

Reflow bukan hanya proses pemanasan; itu adalah peristiwa mekanis dinamis. Ketika PCB masuk ke oven, substrat FR4 mulai mengembang. Saat suhu naik menuju fase liquidus solder SAC305 (sekitar 217°C), papan tumbuh pada sumbu X dan Y. Konektor yang duduk di atasnya juga mengembang, tetapi hampir pasti dengan laju yang berbeda.

Ini adalah ketidakcocokan Koefisien Ekspansi Termal (CTE). Jika konektor panjang—misalnya, header 100-pin atau konektor tepi PCIe—perbedaan ekspansi antara rumah plastik dan papan fiberglass menciptakan tegangan geser yang signifikan pada sambungan solder sebelum mereka bahkan mengeras.

Tegangan ini terlihat dalam efek “pisang”. Jika papan tipis (0,8mm atau 1,0mm) dan konektor kaku, papan akan melengkung untuk mengakomodasi penolakan konektor untuk mengembang. Sebaliknya, jika papan tebal dan rumah konektor terbuat dari plastik yang kurang stabil, rumah akan melengkung ke atas di tengah, mengangkat pin sinyal.

Ini adalah penyebab utama dari cacat “Head-in-Pillow” yang ditakuti. Bola solder meleleh dan pin menjadi panas, tetapi mereka tidak pernah menyatu menjadi fillet tunggal karena secara fisik terpisah selama fase pembasahan kritis. Anda bisa menatap sinar-X sepanjang hari menyalahkan aperture stensil, tetapi jika rumah plastik mengangkat pin 0,15mm selama zona perendaman, tidak ada jumlah penyetelan pasta solder yang akan memperbaiki sambungan.

Variabel Tak Terlihat: Kelembaban

Bahkan jika Anda mencocokkan CTE Anda dengan sempurna, variabel diam-diam masih bisa merusak koplanaritas: air. Plastik teknik seperti Nylon (PA66, PA46) dan Polyphthalamide (PPA) bersifat higroskopis—mereka menyukai air. Jika sekantong konektor dibiarkan terbuka di gudang yang lembap selama seminggu, rumah-rumah itu menyerap kelembaban dari udara.

Ketika kelembapan itu mencapai lonjakan 240°C dari oven reflow tanpa timah, air di dalam plastik tidak hanya menguap; ia berubah menjadi uap secara tiba-tiba. Tekanan internal ini mencari jalan keluar, menyebabkan ledakan mikro di dalam matriks polimer.

Dalam kasus ekstrem, ini tampak sebagai gelembung yang terlihat atau "popcorning" di permukaan. Namun kegagalan yang lebih licik adalah pelengkungan halus yang tidak terlihat oleh mata telanjang. Tekanan uap merusak bidang dudukan datar konektor, memutarnya cukup untuk merusak spesifikasi koplanaritas.

Inilah sebabnya kepatuhan terhadap IPC/JEDEC J-STD-020 Tingkat Sensitivitas Kelembapan (MSL) tidak opsional untuk konektor. Jika Anda menggunakan bagian berbasis Nylon atau PPA, mereka harus dipanggang jika masa pakainya di lantai terlampaui. Banyak rumah perakitan melewatkan langkah ini untuk konektor, menganggap peringkat MSL hanya berlaku untuk chip BGA. Mereka salah, dan asumsi itu menyebabkan kegagalan hasil "misterius" yang hilang saat gulungan baru dan kering dimuat.

Hierarki Material

Keandalan pada akhirnya bergantung pada resin. Tidak semua plastik "suhu tinggi" dibuat sama, dan di sinilah datasheet sering menyembunyikan kebenaran. Pasar dipenuhi dengan Nylon "dimodifikasi" atau "diisi kaca" yang mengklaim tahan panas tinggi. Meskipun mereka mungkin bertahan di oven tanpa meleleh, suhu transisi kaca (Tg)—titik di mana bahan berubah dari padat kaku menjadi keadaan lunak seperti karet—mungkin sangat dekat dengan suhu operasi atau reflow Anda.

Polimer Kristal Cair (LCP) adalah standar emas karena suatu alasan. Ia memiliki tingkat penyerapan kelembapan yang sangat rendah dan, yang lebih penting, CTE yang sangat dekat dengan tembaga dan FR4. Ia tetap kaku dan datar hingga lonjakan reflow. Jika Anda merancang jalur sinyal kritis atau konektor dengan pitch halus (di bawah 0,8mm), LCP sering menjadi satu-satunya pilihan yang bertanggung jawab.

Poliftalamida (PPA) adalah alternatif "anggaran" yang umum. Ini adalah nylon suhu tinggi yang berkinerja baik jika ketika kering. Namun, stabilitas dimensinya lebih rendah dibandingkan LCP, dan sangat bergantung pada isi kaca untuk kekakuan. Ini dapat diterima untuk header daya atau bagian dengan pitch lebih besar, tetapi memperkenalkan risiko pada aplikasi pitch halus.

Nylon 46 / 6T: Ini adalah nylon suhu tinggi warisan. Mereka kuat dan murah tetapi bertindak seperti spons untuk kelembapan. Anda akan melihat ini pada banyak klon konektor generik. Mereka sering mengandalkan "Catatan 3" dalam datasheet—batasan kecil pada jumlah siklus reflow yang dapat mereka tahan. Waspadalah terhadap varian "bio-based" dari plastik ini yang masuk ke pasar; meskipun berkelanjutan, data jangka panjang tentang stabilitasnya dalam siklus industri yang keras (kejutan termal) masih dalam proses penulisan.

Perbedaan biaya antara header Nylon generik dan versi LCP mungkin hanya beberapa sen. Tetapi Anda harus mempertimbangkan itu terhadap Biaya Kualitas Buruk (COPQ). Jika header Nylon melengkung dan menyebabkan tingkat kegagalan 2% pada PCB $500, sen yang dihemat pada BOM itu justru membuat Anda kehilangan ribuan dalam biaya scrap dan tenaga kerja perbaikan.

Pertahanan Mekanis

Anda tidak bisa hanya mengandalkan sambungan solder untuk melawan gaya mekanis. Jika konektor tinggi atau berat, torsi yang diberikan pada bantalan solder selama getaran atau ekspansi termal sangat besar. Konektor SMT yang hanya ditahan oleh pin sinyal adalah risiko di lingkungan industri. Anda memerlukan penahan mekanis—tab logam atau pasak plastik yang menambatkan housing ke PCB.

Ini terutama benar jika Anda mencoba proses Pin-in-Paste (reflow intrusif), di mana konektor through-hole direflow. Perhitungan volume pasta di sini sangat penting, tetapi stabilitas mekanis housing selama perjalanan oven bahkan lebih penting. Jika konektor mengapung atau miring karena tidak memiliki penahan, Anda akan mendapatkan bagian yang miring yang tidak bisa dipasangkan.

Untuk komponen yang hanya dipasang permukaan, pastikan desain stencil Anda memperhitungkan “float” dari komponen tersebut. Kadang-kadang, mengurangi aperture pada pad tengah konektor besar dapat mencegah bagian tersebut bergoyang di atas bantalan solder cair, memungkinkan pad luar menempel dengan kuat.

Perhitungan Akhir

Tujuan memilih konektor bukan untuk menemukan bagian termurah yang sesuai dengan footprint. Tujuannya adalah menemukan bagian yang bertahan dari fisika manufaktur yang keras dan operasi lapangan jangka panjang. Rating datasheet 260°C adalah titik awal, bukan jaminan.

Saat Anda memilih komponen, perhatikan komposisi materialnya. Minta data resin. Jika vendor tidak bisa memberitahu Anda apakah itu LCP atau Nylon 6T, tinggalkan saja. Fisika ekspansi termal dan penyerapan kelembapan tidak bisa dikalahkan. Anda bisa menghormatinya dengan memilih material yang stabil dan desain mekanis yang tepat, atau Anda harus membayarnya nanti di laboratorium analisis kegagalan.