เสียงกรอบแกรบที่ซ่อนอยู่: การแก้ไขการเกิดเม็ดบัดกรีใต้กระป๋องในโมดูล RF

เสียงที่อันตรายที่สุดในสายการผลิต RF คือเสียงที่คุณไม่ได้ยินเหนือเครื่องหยิบและวาง: เสียงกระทบเล็กจิ๋วของเม็ดบัดกรีที่มีขนาดไม่ใหญ่กว่ารำข้าว กลิ้งอย่างอิสระภายในโล่ RF ที่ปิดผนึก

ในสายการผลิต หน่วยนี้ผ่านการทดสอบไฟฟ้าทุกอย่าง ตัวขยายเสียงรบกวนต่ำ (LNA) ทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ ความต้านทานตรงกัน แผงวงจรถูกจัดส่ง ติดตั้งในหน่วยเทเลมาติกส์หรือโมดูลเรดาร์รถยนต์ และออกสู่โลกภายนอก ดูเหมือนหน่วยที่ “สมบูรณ์แบบ” จนกว่ารถจะตกหลุมหรืออุณหภูมิลดต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง จากนั้น ลูกบอลโลหะผสมดีบุก-เงิน-ทองแดงเล็กๆ นั้นจะเคลื่อนที่ มันติดอยู่ระหว่างตัวเก็บประจุ 0201 กับผนังโล่ หรือเชื่อมขาสองข้างบน QFN โมดูลจะเสียทันที หรือแย่กว่านั้น มันเริ่มทำงานแบบผี ๆ เข้า ๆ ออก ๆ

นี่ไม่ใช่โหมดความล้มเหลวเชิงทฤษฎี แต่มันเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ทางกลไกหากกระบวนการของคุณพึ่งพาการออกแบบช่องเปิดมาตรฐานสำหรับพื้นที่ที่มีโล่ กลไกนี้หลอกลวงเพราะมันไม่เกิดขึ้นทันที เม็ดบัดกรีที่หลวมสามารถนั่งอยู่ในพื้นที่ “ปลอดภัย” ของแผ่นรองนานเป็นเดือน ต้องใช้พลังงานเพื่อเคลื่อนเข้าสู่ตำแหน่งที่ทำให้เสีย ในการทดสอบการสั่นสะเทือน เม็ดบัดกรีอาจเต้นรำโดยไม่ทำให้เกิดการลัดวงจร แต่ในสนามจริง การรวมกันของการสั่นสะเทือนและการขยายตัวทางความร้อนสร้างเส้นทางที่แน่นอนสู่ความล้มเหลว เม็ดบัดกรีไม่ได้แค่กลิ้ง; มันถูกดัน

คุณอาจคิดว่าเม็ดบัดกรีที่มีอยู่จะลัดวงจรทันทีหรือไม่เลย แต่นั่นเป็นการทำให้ฟิสิกส์ภายในกระป๋องปิดผนึกง่ายเกินไป สภาพแวดล้อมใต้โล่ RF เป็นไมโครไคลเมตที่แตกต่างซึ่งกฎมาตรฐานของแรงตึงผิวของบัดกรีและพลศาสตร์ของของเหลวทำความสะอาดไม่ใช้กับที่นี่ ปฏิบัติต่อพื้นที่ใต้โล่เหมือนส่วนที่เหลือของแผงวงจร และคุณกำลังออกแบบระเบิดเวลาหนึ่งลูก

สถานีปั๊มความร้อน

ความล้มเหลวเหล่านี้มักจะพุ่งสูงขึ้นหลังจากการใช้งานในสนาม—โดยเฉพาะหลังจากรอบฤดูหนาว/ฤดูร้อน—เนื่องจากความไม่ตรงกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) คุณกำลังจัดการกับแผงวงจรแบบลามิเนต (FR4 หรือ Rogers 4000 ซีรีส์) กรอบโล่โลหะ (มักเป็นนิกเกิล-เงินหรือเหล็กชุบดีบุก) และข้อต่อบัดกรีที่เชื่อมต่อพวกมัน วัสดุเหล่านี้ขยายและหดตัวในอัตราที่แตกต่างกัน เมื่อรถยนต์เปลี่ยนจาก -40°C ในโรงรถไปเป็น +125°C ภายใต้ภาระการทำงาน กรอบโล่จะโค้งงอ มันไม่ได้ขยายออกไปทางด้านนอกเท่านั้น แต่บิดเบี้ยวและโค้งงอตามเรขาคณิตที่ปั๊มขึ้น

การโค้งงอนี้สร้างการทำงานแบบปั๊ม หากเม็ดบัดกรีติดอยู่ในคราบฟลักซ์ใกล้กรอบ การขยายและหดตัวซ้ำ ๆ จะทำหน้าที่เหมือนไม้กวาดช้า ๆ ผลักเม็ดบัดกรีทีละรอบไปยังเส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุด ในการจัดวาง RF ที่หนาแน่น เส้นทางนั้นมักนำตรงไปยังใต้ขาตัวประกอบ เราเคยเห็นภาพตัดขวางของหน่วยที่ส่งคืนซึ่งเม็ดบัดกรีไม่ได้แค่นอนอยู่กับตัวเก็บประจุ แต่การเคลื่อนไหวทางความร้อนของผนังโล่ได้ขับเคลื่อนมันเข้าไปข้างใต้ บดเม็ดบัดกรีให้เป็นแผ่นนำแบนที่ลัดวงจรขั้วไฟฟ้า ความล้มเหลวไม่ได้เกิดขึ้นแบบสุ่ม ฟิสิกส์ของการประกอบได้ปั๊มเม็ดบัดกรีให้เข้าที่

วิศวกรความน่าเชื่อถือบางคนพยายามแก้ไขโดยการแช่แข็งทุกอย่างด้วยสารเติมเต็มใต้ชิ้นส่วนหรือสารยึด พวกเขาคิดว่าถ้ากาวชิ้นส่วน เม็ดบัดกรีจะไม่เคลื่อนที่ นี่มักเป็นความผิดพลาดในแอปพลิเคชัน RF ความถี่สูง การเพิ่มสารยึดเปลี่ยนค่าคงที่ไดอิเล็กทริกรอบวงจรที่ปรับจูนของคุณ ทำให้ตัวกรองหรือตัวขยายเสียงที่คุณพยายามปกป้องเสียการจูน นอกจากนี้ หากสารเติมเต็มใต้ชิ้นส่วนไม่ว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์ ความไม่ตรงกันของ CTE ระหว่างอีพ็อกซี่กับโล่สามารถดึงชิ้นส่วนออกจากแผ่นรองในรอบความร้อนเดียวกันที่คุณพยายามจะรอด คุณไม่สามารถแก้ปัญหากระบวนการด้วยการติดกาว

สุดท้าย ฟิสิกส์ของการขยายตัวทางความร้อนจะชนะเสมอเมื่อเจอกับอนุภาคนำไฟฟ้าที่หลวม หากเม็ดบัดกรีมีอยู่ภายในกระป๋อง ความน่าจะเป็นของความล้มเหลวจะเข้าใกล้ 100% เมื่อเวลาผ่านไป กลยุทธ์ความน่าเชื่อถือที่ถูกต้องเพียงอย่างเดียวคือการทำให้เม็ดบัดกรีไม่เกิดขึ้นตั้งแต่แรก

ภาพลวงตาของการตรวจสอบ

ในวงการผลิตมีความเชื่อผิด ๆ ว่าคุณสามารถตรวจสอบคุณภาพเข้าไปในผลิตภัณฑ์ สำหรับข้อบกพร่องใต้กระป๋อง นี่เป็นเรื่องที่ผิดอย่างชัดเจน อย่าพึ่งพาเอ็กซ์เรย์ 2D หรือแม้แต่ 5DX (เอ็กซ์เรย์ 3D) เพื่อจับเม็ดบัดกรีเหล่านี้อย่างน่าเชื่อถือ ระบบเอ็กซ์เรย์มีปัญหาในการแยกแยะระหว่างเม็ดบัดกรีที่นอนอยู่บนพื้นผิวกราวด์อย่างปลอดภัยกับเม็ดที่ติดอยู่กับผนังแนวตั้งของกระป๋องโล่ ทั้งสองดูเหมือนวงกลมสีเข้มในภาพระดับสีเทา หากคุณตั้งค่าขีดจำกัดให้จับทุกเม็ดบัดกรีที่เป็นไปได้ อัตราการเรียกผิดจะพุ่งสูงขึ้น และผู้ปฏิบัติงานจะเริ่มเพิกเฉยต่อเครื่อง หากคุณตั้งค่าขีดจำกัดต่ำเกินไป คุณจะส่งของที่มีข้อบกพร่อง โล่เองเป็นกรงฟาราเดย์สำหรับแสงและเป็นสิ่งก่อกวนที่ทำให้เอ็กซ์เรย์สับสน

การล้างก็ไม่มีประสิทธิภาพเช่นกัน เรามักเห็นวิศวกรกระบวนการเพิ่มแรงดันน้ำยาทำความสะอาดแบบน้ำต่อเนื่อง หวังจะพัดเม็ดบัดกรีออกไป แต่เม็ดบัดกรีที่ผ่านการรีโฟลว์มักถูกยึดไว้ด้วยคราบฟลักซ์เหนียว เพื่อปลดปล่อยมัน คุณต้องการการพุ่งตรงของของเหลวทำความสะอาด ซึ่งโล่ RF ป้องกัน รูระบายในโล่มาตรฐานออกแบบมาเพื่อระบายความร้อน ไม่ใช่พลศาสตร์ของของเหลว น้ำแรงดันสูงจะสะท้อนออกจากฝากระป๋อง แย่กว่านั้น น้ำล้างอาจเข้าสู่กระป๋อง ละลายฟลักซ์บางส่วน แล้วไม่สามารถระบายออกหมด ทิ้งน้ำซุปนำไฟฟ้าที่แห้งกลายเป็นการเจริญเติบโตแบบกิ่งก้านในภายหลัง คุณแลกการลัดวงจรแข็งด้วยกระแสรั่วไหลอ่อน

บางครั้ง คุณจะเห็นการออกแบบที่ใช้คลิปชิลด์แบบสแน็ปแทนกรอบที่บัดกรี การโต้แย้งคือคุณสามารถล้างและตรวจสอบบอร์ดก่อนที่จะสแน็ปฝาครอบเข้าที่ แม้ว่าจะช่วยแก้ปัญหาการตรวจสอบได้ แต่มันก็ทำให้เกิดปัญหาการรั่วไหลของ RF และความเสี่ยงจากการสั่นสะเทือนที่กรอบบัดกรีไม่มี หากประสิทธิภาพ RF ของคุณต้องการกรอบบัดกรี คุณต้องยอมรับว่าคุณไม่สามารถล้างหรือตรวจสอบพื้นที่ใต้กรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ คุณกำลังบินโดยไม่มีข้อมูล

อาหาร Aperture: การออกแบบสเตนซิลเป็นวิธีแก้ไขเดียว

สาเหตุหลักของการเกิดเม็ดบัดกรีใต้ชิลด์เกือบจะเป็นเพราะปริมาณบัดกรีพาสต์ที่มากเกินไป วิธีแก้ไขอยู่ที่การออกแบบช่องเปิดสเตนซิล โดยเฉพาะในสองส่วน คือ แผ่นกราวด์ขนาดใหญ่ของกรอบชิลด์และชิ้นส่วนพาสซีฟที่อยู่ภายใน

เมื่อคุณพิมพ์พาสต์บนแผ่นกราวด์ขนาดใหญ่สำหรับกรอบชิลด์ การเปิดช่องขนาด 1:1 เป็นหายนะ ในระหว่างการรีโฟลว์ ชิลด์ที่หนักจะจมลงไปในบัดกรีที่หลอมละลาย บัดกรีที่ถูกแทนที่ต้องไปที่ไหนสักแห่ง หากมันถูกบีบออกในแนวตั้ง มันจะเปียกผนังชิลด์ หากมันถูกบีบออกในแนวนอน มันจะก่อตัวเป็นดาวเทียม—ลูกบัดกรีที่หลุดออกจากฟิลเล็ตหลัก นี่คือเม็ดของคุณ เพื่อป้องกันสิ่งนี้ คุณต้องลดปริมาณพาสต์อย่างเข้มงวด อย่าพิมพ์การครอบคลุม 100% บนแผ่นกราวด์ของชิลด์

วิธีมาตรฐานในอุตสาหกรรมคือการลดแบบ “โฮมเพลต” หรือ “หน้าต่างบาน” คุณจะแบ่งแผ่นยาวเป็นส่วนเล็ก ๆ โดยมักลดพื้นที่ครอบคลุมทั้งหมดลงเหลือ 50% หรือ 60% ซึ่งช่วยให้สารระเหยในฟลักซ์มีทางออก (การระบายแก๊ส) โดยไม่ทำให้บัดกรีระเบิด และยังสร้างโซนกันชนสำหรับบัดกรีที่ถูกแทนที่ให้ขยายตัวโดยไม่หลุดออกจากมวลหลัก หากคุณเห็นเม็ดบัดกรี ขั้นตอนแรกของคุณควรดึงไฟล์ Gerber และตรวจสอบการลดช่องเปิด หากมากกว่า 80% คุณได้พบปัญหาของคุณแล้ว

แหล่งที่สองคือ “เม็ดกลางชิป” ซึ่งก่อตัวใต้ตัวชิป 0402 หรือ 0201 เกิดขึ้นเมื่อพาสต์บัดกรีที่พิมพ์บนแผ่นยุบตัวหรือถูกบีบใต้ตัวชิปในระหว่างการวาง เมื่อรีโฟลว์ การดูดซึมแบบแคปิลลารีจะดึงบัดกรีไปที่ศูนย์กลาง ซึ่งรวมตัวเป็นเม็ดที่ซ่อนอยู่ ใต้ชิลด์ นี่เป็นอันตรายเพราะเม็ดถูกกักไว้ วิธีแก้คือใช้รูปแบบช่องเปิด “โฮมเพลต” สำหรับแผ่นชิปเอง—เอาพาสต์ออกจากขอบในของแผ่นเพื่อป้องกันไม่ให้ไหลใต้ตัวชิป

อย่าสับสนระหว่างเม็ดบัดกรีจริงกับการสะสมของคราบฟลักซ์ วิศวกร RF มักตื่นตระหนกเมื่อเห็นการเปลี่ยนแปลง VSWR และโทษว่าเป็น “การปนเปื้อน” คราบฟลักซ์เป็นสิ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้ในกระบวนการแบบไม่ล้าง มันเปลี่ยนคุณสมบัติไดอิเล็กทริกเล็กน้อย แต่ไม่เหมือนเม็ดบัดกรี มันไม่ใช่การลัดวงจรที่นำไฟฟ้า อย่าให้ทีมสับสนทั้งสองอย่าง คุณสามารถปรับวงจรให้รองรับคราบฟลักซ์ได้ แต่ไม่สามารถปรับให้รองรับลูกโลหะหลวมได้

การเปลี่ยนแปลงสเตนซิลเหล่านี้มีราคาถูก สเตนซิลใหม่มีราคาไม่กี่ร้อยดอลลาร์ การแก้ไขพันชิ้นที่คุณต้องใช้สถานีลมร้อนเพื่อยกชิลด์ที่บัดกรีแล้ว—ทำให้ชิ้นส่วนข้างเคียงเสียหายและทำลายแผ่น PCB ในกระบวนการ—มีราคาหลายหมื่น ด้านคณิตศาสตร์นั้นโหดร้ายและง่ายดาย คุณจ่ายค่าการออกแบบสเตนซิล หรือคุณจ่ายค่าของเสีย

เรขาคณิตที่ไม่ให้อภัย

สุดท้าย ให้เคารพข้อจำกัดทางกายภาพของกระบวนการประกอบในช่วงการวางเลย์เอาต์ นักออกแบบมักวางตัวเก็บประจุหรือรีซิสเตอร์ห่างจากผนังชิลด์เพียง 0.2 มม. เพื่อประหยัดพื้นที่ นี่เป็นการปฏิบัติที่ผิด เมื่อวางกรอบชิลด์ การจัดวางที่ผิดพลาดเล็กน้อยหรือการเอียงของเครื่องปักชิ้นส่วนอาจทำให้กรอบตกลงบนแผ่นชิ้นส่วนหรือชิ้นส่วนเอง แม้ว่าจะไม่โดน การอยู่ใกล้กันนี้สร้าง “กับดักฟลักซ์” ที่แรงแคปิลลารีสามารถดึงบัดกรีจากแผ่นชิ้นส่วนไปยังผนังชิลด์ สร้างสะพานเชื่อม

ไม่มีโปรไฟล์รีโฟลว์วิเศษที่แก้ไขรูปทรงที่ไม่ดีได้ คุณสามารถปรับเวลาการแช่เพื่อกระตุ้นฟลักซ์อย่างอ่อนโยน และปรับอุณหภูมิสูงสุดเพื่อลดการยุบตัว แต่เป็นผลกำไรเล็กน้อย หากสเตนซิลของคุณพิมพ์พาสต์มากเกินไป หรือชิ้นส่วนของคุณอยู่ใกล้ชิลด์เกินไป ฟิสิกส์แรงตึงผิวจะสร้างเม็ด วิธีเดียวที่จะรับประกันโมดูล RF ที่เชื่อถือได้คือการลดบัดกรีส่วนเกินและให้กระบวนการมีพื้นที่หายใจ