Ukryty stukot: Rozwiązywanie problemu kulek cyny pod modułami RF

Najniebezpieczniejszym dźwiękiem na linii produkcji RF jest ten, którego nie słychać ponad maszynami pick-and-place: mikroskopijny stukot kulki cyny, nie większej niż ziarnko piasku, swobodnie toczącej się wewnątrz zamkniętej osłony RF.

Na linii produkcyjnej ten egzemplarz przechodzi wszystkie testy elektryczne. Wzmacniacz niskoszumowy (LNA) działa perfekcyjnie. Impedancja jest dopasowana. Płytka jest wysyłana, instalowana w jednostce telematycznej lub module radaru samochodowego i trafia do użytku. Wygląda na „idealny” egzemplarz, aż do momentu, gdy pojazd wjedzie w dziurę lub temperatura spadnie poniżej zera. Wtedy ta maleńka kulka stopu cyny-srebra-miedzi przesuwa się. Klinuje się między kondensatorem 0201 a ścianą osłony lub mostkuje dwa piny w QFN. Moduł natychmiast przestaje działać — albo, co gorsza, zaczyna działać przerywanie.

To nie jest teoretyczny tryb awarii. To mechaniczna nieuchronność, jeśli Twój proces opiera się na standardowych projektach apertur dla obszarów ekranowanych. Mechanizm jest zwodniczy, ponieważ rzadko jest natychmiastowy. Luźna kulka może bezpiecznie siedzieć w „bezpiecznym” obszarze podłoża przez miesiące. Potrzebuje energii, by przesunąć się do pozycji zabójczej. Podczas testów wibracyjnych kulka może tańczyć bez zwarcia czegokolwiek. Ale w terenie, połączenie drgań i rozszerzalności cieplnej tworzy deterministyczną ścieżkę do awarii. Kulka nie tylko się toczy; jest wypychana.

Możesz założyć, że obecna kulka zwarciowa zadziała natychmiast lub wcale, ale to zbyt upraszcza fizykę wewnątrz zamkniętej puszki. Środowisko pod osłoną RF to odrębny mikroklimat, gdzie standardowe zasady napięcia powierzchniowego cyny i dynamiki płynów czyszczących nie mają zastosowania. Traktowanie obszaru pod osłoną jak reszty płytki to projektowanie bomby z opóźnionym zapłonem.

Termiczna Stacja Pomp

Te awarie często nasilają się po wdrożeniu w terenie — szczególnie po cyklach zimowych/letnich — z powodu różnicy współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE). Masz do czynienia z laminatem (FR4 lub seria Rogers 4000), metalową ramką osłony (często niklowo-srebrną lub cynowaną stal) oraz lutami je łączącymi. Materiały te rozszerzają się i kurczą w różnym tempie. Gdy pojazd przechodzi z -40°C w garażu do +125°C pod obciążeniem, ramka osłony się wygina. Nie tylko rozszerza się na zewnątrz; wygina się i wypacza w zależności od wyciętej geometrii.

To wyginanie tworzy efekt pompowania. Jeśli kulka cyny jest uwięziona w pozostałościach topnika blisko ramki, powtarzające się rozszerzanie i kurczenie działa jak miotła w zwolnionym tempie. Popycha kulkę, cykl po cyklu, w kierunku ścieżki najmniejszego oporu. W gęstym układzie RF ta ścieżka często prowadzi bezpośrednio pod dystans komponentu. Widzieliśmy przekroje zwróconych jednostek, gdzie kulka cyny nie tylko spoczywała przy kondensatorze; ruch termiczny ściany osłony mechanicznie wcisnął ją pod spód, miażdżąc kulkę w płaską przewodzącą podkładkę, która zwarła styki. Awaria nie była przypadkowa; fizyka montażu pompowała kulkę na miejsce.

Niektórzy inżynierowie niezawodności próbują rozwiązać to, zamrażając wszystko podkładem lub związkami usztywniającymi. Zakładają, że jeśli sklejają komponenty, kulki nie mogą się poruszać. To często błąd w aplikacjach wysokoczęstotliwościowych RF. Dodanie związku usztywniającego zmienia stałą dielektryczną wokół Twoich obwodów strojących, odstrojąc filtr lub wzmacniacz, który próbujesz chronić. Co więcej, jeśli podkład nie jest idealnie wolny od pustek, różnica CTE między epoksydem a osłoną może zerwać komponenty z padów podczas tych samych cykli termicznych, które próbujesz przetrwać. Nie da się skleić drogi wyjścia z defektu procesu.

Ostatecznie fizyka rozszerzalności cieplnej zawsze wygra z luźną przewodzącą cząstką. Jeśli kulka istnieje wewnątrz puszki, prawdopodobieństwo awarii zbliża się do 100% z upływem czasu. Jedyną skuteczną strategią niezawodności jest zapewnienie, że kulka nigdy się nie utworzy.

Iluzja Kontroli

W produkcji panuje powszechny mit, że jakość można wprowadzić przez kontrolę. W przypadku defektów pod puszką jest to obiektywnie fałsz. Nie polegaj na rentgenie 2D ani nawet 5DX (rentgen 3D), by wiarygodnie wykrywać te kulki. System rentgenowski ma trudności z odróżnieniem kulki cyny spoczywającej bezpiecznie na płaszczyźnie masy od tej przylegającej do pionowej ściany puszki osłony. Obie wyglądają jak ciemne kółka na obrazie w skali szarości. Jeśli zaostrzyć progi, by wykryć każdą potencjalną kulkę, wskaźnik fałszywych alarmów gwałtownie rośnie, a operatorzy zaczynają ignorować maszynę. Jeśli je poluzujesz, wysyłasz defekty. Sama osłona to klatka Faradaya dla światła i mylący artefakt dla rentgena.

Mycie jest równie nieskuteczne. Często widzimy, jak inżynierowie procesu zwiększają ciśnienie w liniowych myjkach wodnych, mając nadzieję, że wypłuczą kulki. Ale przetopiona kulka cyny często jest utrzymywana na miejscu przez lepki pozostały topnik. Aby ją usunąć, potrzebny jest bezpośredni strumień płynu czyszczącego, który osłona RF blokuje. Otwory wentylacyjne w standardowej osłonie są zaprojektowane do wentylacji termicznej, nie do dynamiki płynów. Strumienie myjące pod wysokim ciśnieniem po prostu odbijają się od pokrywy puszki. Co gorsza, woda myjąca może dostać się do puszki, rozpuścić trochę topnika, a następnie nie spłynąć całkowicie, pozostawiając kałużę przewodzącej cieczy, która później wysycha, tworząc dendrytyczne wzrosty. Wymieniasz twarde zwarcie na miękki prąd upływu.

Od czasu do czasu zobaczysz projekt wykorzystujący zatrzaskowe klipsy osłonowe zamiast lutowanej ramki. Argumentem jest to, że możesz umyć i sprawdzić płytkę przed zatrzaśnięciem puszki. Chociaż rozwiązuje to problem inspekcji, wprowadza problemy z wyciekiem RF i ryzyko drgań, których lutowane ramki nie mają. Jeśli Twoja wydajność RF wymaga lutowanej ramki, musisz zaakceptować, że nie możesz skutecznie myć ani sprawdzać obszaru pod nią. Jesteś na ślepo.

Dieta Apertury: Projekt szablonu jako jedyne rozwiązanie

Główną przyczyną powstawania kulek cyny pod osłoną jest prawie zawsze nadmierna ilość pasty lutowniczej. Rozwiązanie leży w projekcie otworu szablonu, szczególnie w dwóch obszarach: dużych padach uziemiających ramki osłony oraz pasywnych elementach umieszczonych wewnątrz.

Gdy nanosimy pastę na duży pad uziemiający ramki osłony, otwarcie otworu 1:1 jest katastrofą. Podczas przepływu ciepła ciężka osłona zanurza się w stopionej cynie. Przemieszczona cyna musi gdzieś pójść. Jeśli wyciśnie się pionowo, zwilża ścianę osłony. Jeśli wyciśnie się poziomo, tworzy satelity — kulki cyny odrywające się od głównego filamentu. To są twoje kulki. Aby temu zapobiec, musisz agresywnie zmniejszyć objętość pasty. Nigdy nie nanos pasty na 100% pokrycia na padzie uziemiającym osłony.

Standardowe podejście w branży to redukcja „home-plate” lub „window-pane”. Dzielisz długi liniowy pad na mniejsze segmenty, często zmniejszając całkowitą powierzchnię pokrycia do 50% lub 60%. Daje to lotnym składnikom topnika drogę ucieczki (odgazowanie) bez eksplozji cyny oraz zapewnia strefę buforową dla przemieszczonej stopionej cyny, aby mogła się rozprzestrzenić bez odrywania od głównej masy. Jeśli widzisz kulki, pierwszym krokiem powinno być pobranie plików Gerber i sprawdzenie redukcji otworów. Jeśli jest powyżej 80%, znalazłeś problem.

Drugim źródłem jest „kulka środkowa” tworząca się pod korpusem elementów 0402 lub 0201. Dzieje się tak, gdy pasta lutownicza na padach opada lub jest ściskana pod korpusem elementu podczas montażu. Podczas przepływu ciepła kapilarne działanie przyciąga cynę do środka, gdzie łączy się w ukrytą kulkę. Pod osłoną jest to fatalne, ponieważ kulka jest uwięziona. Rozwiązaniem jest użycie kształtu otworu „home-plate” dla samych padów elementów — usunięcie pasty z wewnętrznej krawędzi pada, aby zapobiec jej przepływowi pod element.

Nie myl prawdziwych kulek cyny z nagromadzeniem pozostałości topnika. Inżynierowie RF często panikują, gdy widzą dryf VSWR i obwiniają „zanieczyszczenia”. Pozostałości topnika są nieuniknione w procesie bezczyszczeniowym. Nieznacznie zmieniają właściwości dielektryczne, ale w przeciwieństwie do kulki cyny nie stanowią przewodzącego zwarcia. Nie pozwól, aby zespół mylił te dwie rzeczy. Możesz dostroić obwód, aby uwzględnić pozostałości topnika; nie możesz dostroić go na luźną metalową kulkę.

Wprowadzenie tych zmian w szablonie jest tanie. Nowy szablon kosztuje kilkaset dolarów. Przeróbka tysiąca jednostek, gdzie musisz użyć stacji gorącego powietrza, aby zdjąć lutowaną osłonę — podgrzewając sąsiednie elementy i niszcząc pady PCB w procesie — kosztuje dziesiątki tysięcy. Matematyka jest brutalna i prosta. Płacisz za projekt szablonu albo za odpady.

Bezlitosna geometria

Na koniec szanuj fizyczne ograniczenia procesu montażu podczas fazy projektowania. Projektanci często umieszczają kondensatory lub rezystory w odległości 0,2 mm od ściany osłony, aby zaoszczędzić miejsce. To jest błędna praktyka. Gdy ramka osłony jest umieszczana, każde lekkie przesunięcie lub przekrzywienie maszyny pick-and-place może spowodować, że ramka wyląduje na padzie elementu lub na samym elemencie. Nawet jeśli się nie zetknie, bliskość tworzy „pułapkę topnika”, gdzie siły kapilarne mogą przyciągnąć cynę z pada elementu na ścianę osłony, tworząc mostek.

Nie ma magicznego profilu przepływu ciepła, który naprawi złą geometrię. Możesz dostosować czas namaczania, aby delikatnie aktywować topnik, i możesz regulować temperaturę szczytową, aby zminimalizować opadanie, ale to są marginalne korzyści. Jeśli twój szablon nanosi za dużo pasty lub twoje elementy są zbyt blisko osłony, fizyka napięcia powierzchniowego stworzy kulki. Jedynym sposobem na zapewnienie niezawodnego modułu RF jest ograniczenie nadmiaru cyny i zapewnienie procesowi przestrzeni do oddychania.