Fisika Tersembunyi dari Kegagalan Modul Castellated

Dalam CAD, modul castellated terlihat seperti strategi integrasi yang sempurna. Modul ini jatuh ke papan utama seperti balok Lego, datar dan aman, menawarkan daya nirkabel atau komputasi yang sudah tersertifikasi tanpa pusing dengan tata letak RF. Rasanya kokoh. Namun kesederhanaan visual itu adalah jebakan. Setelah papan keluar dari oven reflow dan memasuki realitas termal di lapangan, modul “kokoh” itu menjadi pulau kaku yang berat keramik yang melawan lautan FR4 yang fleksibel.

Satu-satunya yang menjadi perantara pertarungan ini adalah serangkaian sambungan solder kecil di sepanjang tepi. Jika Anda memperlakukan sambungan ini sebagai pengikat mekanis, desain akan gagal. Solder adalah paduan rapuh, bukan perekat struktural. Ia lelah di bawah tegangan geser, retak di bawah getaran, dan patah saat papan melengkung. Kegagalan jarang terjadi di bangku kerja. Itu terjadi enam bulan kemudian, ketika armada unit pelacak di Minnesota mati saat cuaca dingin, atau drone mendarat terlalu keras di beton. Perbedaan antara produk yang dapat diandalkan dan penarikan kembali sering kali bergantung pada sepersepuluh milimeter dalam geometri pad yang sebagian besar datasheet secara eksplisit menyuruh Anda untuk mengabaikannya.

Fisika Retakan Sudut

Musuh utama di dalam sambungan adalah ketidakcocokan Koefisien Ekspansi Termal (CTE). Sebagian besar modul berkinerja tinggi—baik itu penerima GPS u-blox atau modem seluler padat—dibangun di atas substrat yang secara mekanis lebih kaku dan termal berbeda dari FR4 standar pada papan pembawa Anda. Ketika perangkat menyala, atau saat suhu sekitar berayun dari -40°C hingga +85°C, papan utama dan modul mengembang dengan laju yang berbeda.

Perluasan ini menciptakan gaya geser yang merobek sambungan solder. Tegangan tidak didistribusikan secara merata; mekanika dasar menentukan bahwa tegangan terkonsentrasi pada titik terjauh dari pusat: sudut-sudut. Pad sudut adalah tumpuan rakitan, menanggung beban setiap siklus termal dan puntiran mekanis. Jika Anda memeriksa papan yang gagal di bawah mikroskop, Anda hampir selalu akan melihat retakan halus mulai dari ujung pad sudut, menyebar melalui lapisan intermetalik hingga sambungan listrik terputus.

Inilah sebabnya mengapa solder yang “cukup” tidaklah cukup. Sambungan membutuhkan bentuk khusus—fillet yang kuat—untuk mendistribusikan gaya-gaya ini. Sambungan datar dan kekurangan solder yang dibuat oleh salinan jejak 1:1 mungkin lolos uji kontinuitas listrik dasar di pabrik, tetapi tidak memiliki umur lelah sama sekali. Ini adalah jam berdetak.

Jejak Datasheet Biasanya Salah

Penyebab paling umum kegagalan sambungan castellated adalah mengikuti secara membabi buta “Polanya yang Direkomendasikan” dalam datasheet vendor modul. Ini terdengar kontradiktif—tentu saja pabrikan tahu yang terbaik? Namun insentif vendor jarang selaras dengan kebutuhan keandalan Anda. Mereka ingin memasarkan modul sebagai “kompak” dan “hemat ruang.” Jadi jejak yang mereka rekomendasikan sering mengecilkan pad ke ukuran minimum mutlak, memungkinkan Anda merutekan jejak dengan rapat di sekitar perangkat.

Untuk aplikasi dengan keandalan tinggi, abaikan saran ini dan rancang untuk fillet. Dimensi kritis adalah “Toe”—bagian pad yang menonjol keluar, menjauh dari tepi modul. Jejak vendor standar mungkin memberi Anda proyeksi toe 0,1mm atau 0,2mm, yang hampir tidak cukup untuk membentuk meniskus. Untuk rakitan Kelas 2 atau Kelas 3 sesuai standar IPC, Anda membutuhkan fillet solder yang terlihat dan dapat diperiksa yang menaiki dinding castellation.

Aturan praktis untuk desain yang kuat adalah memperpanjang pad papan utama setidaknya 0,5mm hingga 0,8mm melewati tepi modul. Tembaga ekstra ini berfungsi sebagai reservoir dan landasan pacu. Selama reflow, ia menahan volume pasta solder yang lebih besar; saat flux aktif, tegangan permukaan menarik solder ekstra itu naik ke dinding vertikal castellation. Ini menciptakan lereng cekung yang mendistribusikan tegangan daripada sambungan rapuh yang saling bertemu.

Jika Anda merancang jejak Anda sendiri, pastikan Anda melihat tampilan yang benar. Sangat umum melihat papan Versi 1 di mana jejaknya terbalik karena perancang melihat “tampilan bawah” modul dan menerapkannya ke “tampilan atas” papan. Anda sedang melihat melalui papan, bukan di atasnya. Periksa ulang pin 1.

Anda Merancang Stensil, Bukan Hanya Papan

Geometri hanyalah separuh dari perjuangan; volume adalah separuh lainnya. Sambungan castellated membutuhkan pasta solder yang jauh lebih banyak daripada pad datar standar karena solder harus melawan gravitasi. Solder harus membasahi pad dan kemudian naik secara vertikal ke lubang setengah potong. Jika Anda menggunakan aperture stencil standar yang sesuai dengan pad tembaga 1:1, kemungkinan besar Anda akan mendapatkan reject "basah yang tidak cukup". Volume pasta yang dicetak pada pad datar tidak cukup untuk melapisi dinding vertikal setelah zat mudah menguap dalam flux terbakar.

Anda harus memaksa proses dengan mencetak ulang aperture. Bukaan stencil untuk pad castellated harus lebih besar dari pad tembaga itu sendiri, khususnya memperluas lebih jauh ke luar. Modifikasi umum adalah meningkatkan panjang aperture dari 10% menjadi 20% ke arah menjauh dari modul. Ketika solder meleleh, ia akan menarik kembali ke pelapisan emas atau timah pada pad (karena solder tidak akan menempel pada solder mask), menciptakan "tonjolan" logam cair yang memberi makan aksi kapiler vertikal.

Bicarakan hal ini dengan rumah perakitan Anda. Jika mereka menggunakan foil standar 4-mil atau 5-mil tanpa modifikasi, hasil produksi Anda akan menurun. Anda mungkin melihat basah, tetapi inspeksi sinar-X akan mengungkapkan rongga atau sambungan tipis yang tidak akan bertahan dalam uji jatuh.

Pembunuh Tak Terlihat: Penempatan dan Depanelisasi

Bahkan modul yang disolder dengan sempurna bisa rusak sebelum meninggalkan lantai pabrik. Penempatan fisik modul relatif terhadap tepi papan dan tab putus adalah variabel keandalan yang sering diabaikan sampai terlambat.

Perhatikan "mouse bites"—tab berlubang yang digunakan untuk menahan PCB dalam panel selama perakitan. Ketika tab ini dipatahkan atau dipotong (depanelisasi), gelombang kejutan stres mekanis merambat melalui FR4. Jika modul castellated yang kaku duduk terlalu dekat dengan titik stres ini—misalnya, dalam jarak 5mm—energi itu langsung ditransfer ke sambungan solder terdekat. Karena modul kaku dan papan membengkok, sambungan solder retak.

Kerusakan ini licik karena sering tidak terlihat oleh mata telanjang. Papan mungkin lolos uji fungsional karena dua permukaan retak masih saling menyentuh. Tetapi saat perangkat bergetar di truk atau saku untuk pertama kalinya, sambungan terbuka. Jauhkan modul castellated dari tepi papan, dan tegakkan zona larangan di sekitar tab depanelisasi. Jika desain memaksa modul dekat tepi, minta proses depanelisasi dengan pemotong router daripada "pemotong pizza" mekanis atau pematahan manual, yang memberikan torsi jauh lebih tinggi.

Catatan tentang Penyolderan Tangan

Ada permintaan yang terus-menerus, terutama pada fase prototipe, untuk menyolder modul ini dengan tangan. Meskipun secara teknis mungkin membuat sambungan listrik dengan soldering iron, hampir tidak mungkin membuat yang dapat diandalkan satu.

Fisika perpindahan panas bekerja melawan Anda. Soldering iron menerapkan panas pada satu titik di ujung pad, berjuang untuk memanaskan seluruh barel castellation secara merata. Hasilnya sering sambungan "dingin" di bagian atas lubang atau gumpalan solder yang duduk di permukaan tanpa benar-benar membasahi intermetallic. Tanpa tegangan permukaan seragam dari oven reflow, juga sulit mengontrol volume, menyebabkan pin terjembatani atau sambungan kekurangan solder. Jika Anda terpaksa memperbaiki modul atau prototipe dengan tangan, gunakan udara panas dan jumlah flux yang cukup untuk meniru lingkungan reflow sebaik mungkin, tetapi pahami bahwa sambungan ini tidak boleh dipercaya untuk uji getaran.

Keandalan adalah Pilihan

Kegagalan modul castellated jarang menjadi misteri. Itu adalah hasil yang dapat diprediksi dari fisika yang bekerja pada logam yang tidak cukup. Dengan memperpanjang ujung footprint, mencetak ulang stencil, dan menghormati stres mekanis papan, Anda mengubah sambungan rapuh menjadi elemen struktural yang kuat. Ini tidak menambah biaya BOM, tetapi membutuhkan kepercayaan untuk mengesampingkan datasheet dan merancang untuk realitas lantai manufaktur.