ต้นทุนสูงของ “ทนทานไม่แตกหัก”: คู่มือการทำให้แข็งแรงที่ซ่อมแซมได้

มีตรรกะที่น่าดึงดูดในแนวทาง “อิฐดำ” ในอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม คุณนำแผงวงจรพิมพ์ที่สมบูรณ์แบบใส่ในตัวเรือน แล้วเทอีพ็อกซี่สองส่วนลงบนชุดประกอบจนดูเหมือนฟอสซิลที่ติดอยู่ในอำพัน มันให้ความรู้สึกมั่นคง ให้ความรู้สึกได้รับการปกป้อง และสำหรับอุปกรณ์บางประเภท—ราคาถูก ใช้แล้วทิ้ง หรือส่งไปยังก้นร่องลึกมาเรียนา—นี่คือทางเลือกทางวิศวกรรมที่ถูกต้อง แต่สำหรับบอร์ดควบคุมอุตสาหกรรมมูลค่าสูง เครื่องมือแพทย์ หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์การขนส่ง การห่อหุ้มเต็มรูปแบบมักเป็นเพียงการยอมรับความล้มเหลวในการออกแบบเชิงกลที่มีค่าใช้จ่ายสูง

เมื่ออุปกรณ์ที่ถูกเคลือบอย่างเต็มที่เสียหายในสนาม มันจะไม่สร้างตั๋วซ่อม แต่จะสร้างรายงานเศษซาก พิจารณาชุดของอุปกรณ์เทเลเมติกส์ที่ถูกห่อหุ้มด้วยยูรีเทนแข็งเช่น Stycast 2651 หากบั๊กในเฟิร์มแวร์ต้องการการเปลี่ยนสายฮาร์ดแวร์ หรือถ้าตัวต้านทาน 0402 ตัวเดียวแตกร้าวในระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ อุปกรณ์นั้นจะเสียหายอย่างมีประสิทธิภาพ ช่างเทคนิคไม่สามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนได้ง่ายๆ พวกเขาต้องกลายเป็นนักโบราณคดี ใช้ไมโครมิลล์เจียรวัสดุเคลือบ สูดฝุ่นเข้าไป และเสี่ยงต่อความเสียหายของเส้นทองแดงในทุกครั้งที่เครื่องมือผ่าน ค่าแรงในการกู้บอร์ดนั้นมักจะเกิน $150 ต่อชั่วโมง ซึ่งเร็วกว่าและเกินมูลค่าของฮาร์ดแวร์เอง ตัวเลือก "rugged" กลายเป็นจุดล้มเหลวทางเศรษฐกิจเพียงจุดเดียว

แต่คุณไม่จำเป็นต้องปล่อยให้บอร์ดเปลือยเปล่า ทางเลือกที่ดีกว่าคือการเสริมความแข็งแรงแบบเลือกสรร เป้าหมายคือแยกการปกป้องจากสิ่งแวดล้อมออกจากการเสถียรภาพเชิงกล โดยเปลี่ยนจากกลยุทธ์ “ฝัง” เป็น “ยึดตรึง” คุณจะรักษาความสามารถในการตรวจสอบ ทดสอบ และซ่อมแซมหน่วย ลดต้นทุนรวมของการเป็นเจ้าของตลอดอายุผลิตภัณฑ์อย่างมาก

ฟิสิกส์ของความเมื่อยล้า: การบัดกรีไม่ใช่กาว

ศัตรูหลักของอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรมไม่ใช่ความชื้น แต่คือการสั่นสะเทือน วิศวกรมักหมกมุ่นกับการจัดอันดับ IP และความชื้น กลัวว่าน้ำหยดเดียวจะทำให้ MCU ลัดวงจร แม้ว่าสิ่งนั้นจะเกิดขึ้นได้ แต่ตัวทำลายที่ร้ายกาจกว่าคือความเมื่อยล้าของโลหะที่เกิดจากการสั่นสะเทือนฮาร์มอนิก ชิ้นส่วนหนักบน PCB เป็นเหมือนมวลบนสปริง “สปริง” คือขาทองแดงและจุดบัดกรี

การบัดกรีเป็นโลหะผสมที่ซับซ้อนออกแบบมาเพื่อความต่อเนื่องทางไฟฟ้า ไม่ใช่ความแข็งแรงเชิงโครงสร้างทางกล มันมีความต้านทานแรงดึงต่ำและแข็งตัวเร็วภายใต้ความเครียดเป็นรอบ เมื่ออินดักเตอร์โทโรอิดหนักหรือคาปาซิเตอร์อิเล็กโทรไลติกขนาดใหญ่ถูกยึดกับบอร์ดด้วยขาเพียงอย่างเดียว มันจะสร้างแขนโมเมนต์ วางบอร์ดนั้นบนแท่นขุดเจาะหรือรถบรรทุกสั่นสะเทือนจะทำให้ขาทองแดงเมื่อยล้าจนขาดจนเรียบกับผิวบอร์ด ไม่มีการเคลือบแบบคอนฟอร์มมอลใดหยุดสิ่งนี้ได้

ในความเป็นจริง วิศวกรหลายคนสับสนระหว่างการป้องกันการรุกล้ำกับการลดการสั่นสะเทือน พวกเขาขอ “กันน้ำ” ในขณะที่จริงๆ แล้วต้องการเสถียรภาพเชิงกล หากตัวเรือนทำงานได้ดี (IP67 หรือเทียบเท่า) การเคลือบก็แค่ต้องรับมือกับการควบแน่น งานจริงคือหยุดไม่ให้อินดักเตอร์นั้นสั่นจนพัง

ดูโหมดความล้มเหลวของบอร์ดควบคุม VFD ในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง คุณมักจะเห็นรอยแตกสะอาดบนขาของชิ้นส่วนหนัก ในขณะที่ชิ้นส่วนติดตั้งบนพื้นผิวที่เบากว่ายังคงสมบูรณ์ ความล้มเหลวไม่ใช่เรื่องสุ่ม แต่มาจากการคำนวณโดยตรงระหว่างมวลกับความแข็งของขา หากชิ้นส่วนสูง หนัก และยึดด้วยขาโลหะบาง มันคือระเบิดเวลาที่รอระเบิด แทนที่จะฝังบอร์ดทั้งบอร์ดในเรซิน คุณเชื่อมมวลเฉพาะนั้นกับแผ่น PCB โดยใช้กาวที่ออกแบบมาสำหรับงานนี้

การเสริมความแข็งแกร่งเชิงกลยุทธ์: จุดยึด

นี่คือที่มาของ “การเสริมความแข็งแกร่ง” — การใช้กาวโครงสร้างกับฐานหรือด้านข้างของชิ้นส่วนหนัก นี่คือกิจกรรมที่ให้ผลตอบแทนการลงทุนสูงสุดสำหรับการทำให้บอร์ดทนทาน โดยการเพิ่มฟิลเล็ตของกาว (เช่น อะคริลิกที่บ่มด้วย UV หรือซิลิโคนความหนืดสูง) รอบขอบของคาปาซิเตอร์หนัก คุณเปลี่ยนกลไกทั้งหมด โหลดการสั่นสะเทือนจะถ่ายโอนผ่านตัวกาวไปยังแผ่น FR4 แทนที่จะผ่านขาทองแดงที่เปราะบาง

มักจะมีปฏิกิริยาแบบสะท้อนกลับต่อต้านซิลิโคนในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นผลพวงจากยุคที่ซิลิโคนที่บ่มด้วยกรดอะซิติกจะกัดกร่อนทองแดงและการระเหยของสารที่ระเหยง่ายจะทำให้ขั้วรีเลย์สกปรก ความกลัวเหล่านั้นส่วนใหญ่ล้าสมัยแล้ว RTV เกรดอิเล็กทรอนิกส์ที่บ่มด้วยวิธีบ่มกลางแจ้ง (Room Temperature Vulcanizing) และวัสดุบ่มด้วยแสง UV สมัยใหม่ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้ ความเสี่ยงจากการไม่ใช้วัสดุเหล่านี้—เช่น ตัวเก็บประจุที่หนักหลุดออก—มีมากกว่าความเสี่ยงจากการปนเปื้อน ตราบใดที่คุณเลือกวัสดุที่เหมาะสม

อย่างไรก็ตาม กาวจะดีได้ก็ขึ้นอยู่กับการเตรียมพื้นผิว คุณไม่สามารถแค่บีบกาวลงบนบอร์ดที่มีฝุ่นแล้วคาดหวังว่าจะยึดติดได้ ในกรณีหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ อัตราความล้มเหลวในสนามพุ่งสูงขึ้นเพราะโรงงานประกอบใช้ RTV ทาบนคราบฟลักซ์ที่ไม่สะอาดซึ่งไม่ต้องล้าง ซิลิโคนไม่ได้ยึดติดกับบอร์ด แต่มันยึดติดกับสิ่งสกปรกบนบอร์ด ภายใต้การสั่นสะเทือน กาวจะลอกออกและตัวเก็บประจุจะหลุดออก การตรวจสอบพลังงานพื้นผิวอย่างง่าย—โดยใช้ปากกาดายน์หรือการควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวด—จะช่วยประหยัดเงินหลายแสนดอลลาร์จากการเคลมประกัน กฎง่ายๆ คือ ทำความสะอาดจุดที่กาวจะไป และตรวจสอบให้แน่ใจว่ากาวสร้างฟิลเล็ตที่เชื่อมระหว่างตัวชิ้นส่วนกับพื้นผิวบอร์ด อย่ากาวที่ขาโดยตรง ให้กาวที่ตัวแพ็กเกจ

การประนีประนอมของ BGA: การยึดมุม

Ball Grid Arrays (BGAs) เป็นความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ (โทรศัพท์, แท็บเล็ต) มาตรฐานอุตสาหกรรมคือ Capillary Underfill (CUF)—อีพ็อกซี่ที่มีความหนืดต่ำซึ่งไหลใต้ชิปทั้งหมด ล็อกชิปกับบอร์ด วิธีนี้ดีสำหรับการป้องกันการตกหล่น แต่เป็นฝันร้ายสำหรับการซ่อมแซมในอุตสาหกรรม หากต้องเปลี่ยน BGA การถอดชิปที่เต็มไปด้วยอันเดอร์ฟิลล์มักจะทำให้แผ่นแพดฉีกขาดและ PCB เสียหาย

สำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรม ที่ความเครียดหลักคือการเปลี่ยนอุณหภูมิและการสั่นสะเทือนมากกว่าการตกบนทางเท้า “การยึดมุม” (หรือการยึดขอบ) เป็นกลยุทธ์ที่ดีกว่า แทนที่จะเติมช่องว่างทั้งหมดใต้ชิป คุณจะทากาวที่มีความหนืดสูงที่มุมทั้งสี่ของแพ็กเกจ BGA วิธีนี้ล็อกแพ็กเกจกับบอร์ด ป้องกันไม่ให้ลูกบอลบัดกรีแตกเมื่อบอร์ดโค้งงอหรือสั่นสะเทือน

ความสวยงามของการยึดมุมอยู่ที่การตรวจสอบได้ ด้วยการอันเดอร์ฟิลล์เต็มรูปแบบ คุณจะไม่เห็นสิ่งที่เกิดขึ้นใต้ชิป คุณอาจมีช่องว่าง 30% ในอีพ็อกซี่ที่สร้างจุดร้อน และคุณจะรู้ก็ต่อเมื่อทำการตัดขวางทำลายหรือวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์ที่มีราคาแพง ด้วยการยึดมุม ศูนย์กลางของอาร์เรย์จะเปิดอยู่ คราบฟลักซ์สามารถระเหยออกในระหว่างการรีโฟลว์โดยไม่ถูกกักขัง (ซึ่งเป็นสาเหตุทั่วไปของ “ป๊อปคอร์น” ในชิ้นส่วนที่อันเดอร์ฟิลล์) หากชิปเสีย ช่างเทคนิคสามารถตัดกาวที่มุมทั้งสี่ รีโฟลว์ชิ้นส่วน และเปลี่ยนใหม่โดยไม่ทำลายแพด คุณจะได้ 80% ของการป้องกันทางกลของอันเดอร์ฟิลล์พร้อมกับ 100% ของความสามารถในการซ่อมแซม

เคมีในฐานะคุณสมบัติการซ่อมบำรุง

เมื่อการยึดและการติดตั้งทางกลเสร็จสิ้นแล้ว คุณสามารถจัดการกับการป้องกันสิ่งแวดล้อมด้วยการเคลือบคอนฟอร์มมอล ที่นี่ เคมีที่คุณเลือกจะกำหนดความสามารถในการให้บริการของผลิตภัณฑ์ วิศวกรหลายคนมักเลือกใช้การเคลือบยูรีเทนเพราะทนทานและทนต่อตัวทำละลาย แต่ถามตัวเองว่า: ต้องการ ให้การเคลือบทนต่อตัวทำละลายหรือไม่?

ถ้าบอร์ดล้มเหลวในการเบิร์นอินหรือจำเป็นต้องซ่อมในสนาม การเคลือบยูรีเทนจะเป็นอุปสรรค มักต้องใช้สารล้างที่รุนแรงหรือการขัดถูทางกายภาพเพื่อเอาออก ซึ่งทำลายชิ้นส่วน ในทางกลับกัน การเคลือบอะคริลิก (เช่น Humiseal 1B31 หรือที่คล้ายกัน) ละลายได้ง่าย ช่างเทคนิคสามารถใช้ปากกาตัวทำละลาย ละลายการเคลือบเหนือจุดทดสอบหรือชิ้นส่วนเฉพาะ ทำการซ่อมแซม แล้วเคลือบใหม่เฉพาะบริเวณนั้น

เราเห็นเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นที่ผู้ผลิตตามสัญญาในเซินเจิ้น เมื่อเปลี่ยนจากยูรีเทนเป็นอะคริลิก ทำให้ความเสียหายจากการผลิตกลายเป็นกระบวนการที่จัดการได้ ช่างซ่อมสามารถบัดกรีผ่านการเคลือบอะคริลิกได้โดยตรงถ้าจำเป็น (มีกลิ่นเหม็นมาก แต่ใช้ได้) หรือเช็ดออกในไม่กี่วินาที อัตราการฟื้นตัวของผลผลิตเพิ่มจากเกือบศูนย์เป็นมากกว่า 95% เว้นแต่เครื่องของคุณจะเข้าไปในสภาพแวดล้อมที่มีภัยคุกคามทางเคมีเฉพาะที่ละลายอะคริลิก (เช่น ไอระเหยเชื้อเพลิงหรือตัวทำความสะอาดที่รุนแรง) ความสามารถในการให้บริการของอะคริลิกมักจะมีค่ามากกว่าความทนทานของยูรีเทน

การจำลองการซ่อมแซม

การทำให้แข็งแรงเหมือนทนทานดูเหมือนเป็นปัญหาทางวิศวกรรม แต่จริงๆ แล้วเป็นการคำนวณทางเศรษฐศาสตร์ คุณต้องทำ "การจำลองการซ่อมแซม" ในหัวของคุณในช่วงออกแบบ ลองนึกภาพช่างเทคนิคที่มีหัวแร้งมาตรฐานและกล้องจุลทรรศน์พยายามซ่อมบอร์ดของคุณ พวกเขาสามารถตรวจสอบจุดทดสอบได้ไหม? พวกเขาสามารถเปลี่ยน MCU หลักได้ไหม?

ถ้าต้นทุนวัสดุ (BOM) ของบอร์ดต่ำกว่า $50 บางทีคุณอาจไม่สนใจ ห่อมัน ปิดผนึก และถ้ามันเสียก็โยนลงเครื่องบด แต่ถ้าบอร์ดนั้นมีราคาถึง $500 หรือ $2,000 และเป็นส่วนหนึ่งของระบบอุตสาหกรรมที่สำคัญ ทุกอุปสรรคที่คุณวางไว้ข้างหน้าช่างซ่อมคือความรับผิดชอบ โดยใช้การยึดด้วยกาวสำหรับน้ำหนัก การยึดมุมสำหรับ BGA และการเคลือบที่ซ่อมแซมได้สำหรับพื้นผิว คุณจะสร้างผลิตภัณฑ์ที่อยู่รอดในสนามแต่ไม่ต้องตายที่นั่น