พื้นหลุด: ทำไมแผ่นลามิเนต PCB ของคุณถึงล้มเหลวในการทดสอบการตก (และทำไมมันไม่ใช่ข้อบกพร่องของวัสดุ)

เสียงของความล้มเหลวในการทดสอบการตกนั้นชัดเจน แต่ความเงียบที่ตามมาในห้องวิเคราะห์ความล้มลวนั้นคือจุดที่ความตึงเครียดที่แท้จริงอยู่ อุปกรณ์ต้นแบบแบบถือมือกระแทกกับคอนกรีต หน้าจอยังอยู่ ตัวเครื่องยังอยู่ แต่หน่วยนั้นเสียหาย ปฏิกิริยาแรกในห้องวิศวกรรมคือการโทษโรงงานผลิต ข้อกล่าวหามักจะเหมือนกันเสมอ: แผ่นลามิเนต “ไม่ดี” เรซิน “ยังไม่แข็งตัวเต็มที่” หรือการยึดเกาะ “อ่อนแอ”

แต่เมื่อคุณซูมดูส่วนตัดเรื่องราวก็เปลี่ยนไป แผ่นทองแดงไม่ได้แค่ลอกขึ้นมา; มันดึงชิ้นส่วนของอีพ็อกซี่ไดอิเล็กทริกติดมาด้วย นี่คือการเกิดหลุมบนแผ่นทองแดง มันไม่ใช่ความล้มเหลวของเคมีการยึดเกาะ แต่มันคือความล้มเหลวของสถาปัตยกรรมทางกล คุณไม่สามารถแก้ปัญหาทางเรขาคณิตโดยการเรียกร้องแผ่นข้อมูลที่ “แข็งแรงกว่า” จากผู้จัดหาวัสดุของคุณได้ ถ้าคุณเห็นหลุม คุณอาจกำลังขอให้แผ่นลามิเนตทำงานที่ควรเป็นหน้าที่ของโครงสร้างกลไก

กายวิภาคของหลุมอุกกาบาต

คุณไม่สามารถแก้ปัญหาได้ถ้าคุณยังระบุปัญหาไม่ถูกต้อง วิศวกรมักจะสับสนระหว่างการแยกตัวใดๆ ใต้ BGA (Ball Grid Array) กับ “การลอกของแผ่นทองแดง” การลอกของแผ่นทองแดงมักเป็นปรากฏการณ์ทางความร้อนหรือผลจากการเปียกไม่ดีในระหว่างการรีโฟลว์ การเกิดหลุมบนแผ่นทองแดงเป็นการแตกหักทางกลที่รุนแรง

ดูที่จุดความล้มเหลวใต้กล้องจุลทรรศน์ หลุมที่แท้จริงจะทิ้งรอยลึกที่ชัดเจนในวัสดุลามิเนตเอง แผ่นทองแดงยังคงยึดติดแน่นกับลูกบัดกรี และลูกบัดกรียังยึดติดแน่นกับชิ้นส่วน ความล้มเหลวเกิดขึ้นทั้งหมดภายในเรซินไดอิเล็กทริกใต้ทองแดง มันดูเหมือนตักไอศกรีมที่ถูกดึงออกจากถัง

ความแตกต่างนี้สำคัญมากเพราะมันตัดปัญหา “Black Pad” ที่เป็นที่นิยม Black Pad คือปัญหาการกัดกร่อนทางเคมีที่ส่งผลต่อการเคลือบ ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ทิ้งพื้นผิวมืดเรียบที่บัดกรีไม่เปียก หากคุณเห็นอีพ็อกซี่และเส้นใยแก้วที่ขรุขระโผล่ขึ้นมาจากบอร์ดหรือยึดติดกับด้านล่างของแผ่นทองแดงที่ลอกขึ้นมา คุณไม่มีปัญหา Black Pad คุณมีปัญหาการจัดการความเครียด เรซินไม่ได้ล้มเหลวทางเคมี แต่มันถูกกลไกครอบงำ

ฟิสิกส์ของความเร็ว: ความไวต่ออัตราการเปลี่ยนรูป

เหตุผลที่โหมดความล้มเหลวนี้แอบแฝงและมักถูกโทษว่าเป็น “ล็อตไม่ดี” คือแผ่นลามิเนต FR-4 และที่คล้ายกันไวต่ออัตราการเปลี่ยนรูป วัสดุที่มีความเหนียวพอสมควรในระหว่างรอบความร้อนช้าๆ หรือการทดสอบงอแบบคงที่จะทำตัวเหมือนแก้วเปราะในระหว่างการกระแทกด้วยความเร็วสูง

เมื่ออุปกรณ์กระแทกพื้น คลื่นช็อกจะเดินทางผ่าน PCB หากบอร์ดได้รับอนุญาตให้โค้งงอ พลังงานความเครียดนั้นต้องไปที่ใดที่หนึ่ง ในเหตุการณ์การตกมาตรฐาน (ตาม JEDEC JESD22-B111 หรือคล้ายกัน) อัตราการเปลี่ยนรูปอาจสูงมาก ที่ความเร็วเหล่านี้ โซ่พอลิเมอร์ในเรซินไม่มีเวลาปรับทิศทางและสลายพลังงาน พวกมันจึงแตกหักทันที

นี่คือเหตุผลที่การดูอุณหภูมิการเปลี่ยนแก้ว (Tg) ในแผ่นข้อมูลเป็นการเสียเวลาในโหมดความล้มเหลวเฉพาะนี้ Tg วัดประสิทธิภาพทางความร้อน ไม่ใช่ความทนทานต่อการแตกหัก (K1c) หรือโมดูลัสความเร็วสูง คุณอาจจ่ายแพงสำหรับวัสดุที่มี Tg สูง (170°C+) และยังเห็นการเกิดหลุมที่รุนแรงเพราะวัสดุนั้นเปราะเหมือนเดิม หรือเปราะกว่าเมื่อกระแทกที่อุณหภูมิห้อง

นักฆ่าเงียบ: มันเกิดขึ้นก่อนการตก

ก่อนที่คุณจะโหลดบอร์ดเข้าสู่เครื่องทดสอบการตก คุณอาจได้ทำลายแผ่นทองแดงไปแล้ว เปอร์เซ็นต์สำคัญของ “ความล้มเหลวในการทดสอบการตก” จริงๆ แล้วคือ “ความล้มเหลวในการแยกแผง” ที่บังเอิญเปิดออกในระหว่างการตก

พิจารณากลไกของการแยกบอร์ดออกจากแผง หากคุณใช้กระบวนการ V-score และแยกบอร์ดด้วยมือหรือด้วยใบมีดแบบตัดพิซซ่า คุณจะสร้างโมเมนต์การดัดงอขนาดใหญ่โดยตรงที่ขอบบอร์ด หากตัวเชื่อมต่อหนักหรือ BGA อยู่ใกล้เส้นแยกนั้นมากเกินไป คลื่นความเครียดจากการหักจะสร้างรอยร้าวเล็ก ๆ ในเรซินใต้แผ่นรอง รอยร้าวเหล่านี้มองไม่เห็นด้วยตาเปล่าและมักผ่านการทดสอบไฟฟ้า (ICT) เพราะทองแดงยังสัมผัสกันอยู่ แต่ความสมบูรณ์ของโครงสร้างเรซินได้หายไปแล้ว

นี่มักเป็นที่มาของความล้มเหลว “ผี” การทดสอบการตกไม่ได้ทำให้เรซินแตก; มันเพียงแค่ทำงานให้เสร็จที่ใบเราท์เตอร์เริ่มไว้ หากคุณเห็นรอยบุ๋มใกล้ขอบบอร์ด ให้ละเลยความสูงการตกชั่วคราวและตรวจสอบสถานีแยกแผงของคุณ มองหาตัววัดความเครียดบนอุปกรณ์ยึด หากคุณไม่เห็น แสดงว่าคุณไม่ได้วัดตัวแปรที่กำลังฆ่าผลผลิตของคุณจริง ๆ

กับดักความแข็งของบัดกรี

นักออกแบบหลายคนพลาดตัวแปรที่ขัดกับสัญชาตญาณ: การทำให้ข้อต่อบัดกรีแข็งแรงขึ้นมักทำให้ระบบอ่อนแอลง มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับโลหะผสมปราศจากตะกั่ว SAC305 (Sn-Ag-Cu) ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายเพราะเชื่อถือได้และเข้าใจดี อย่างไรก็ตาม SAC305 มีโมดูลัสของยังสูง—มันแข็ง

ในเหตุการณ์การตก คุณต้องการความยืดหยุ่น คุณต้องการบางสิ่งในชั้นซ้อนกันทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับแรงกระแทก หากข้อต่อบัดกรีแข็ง (SAC305) อุปกรณ์แข็ง (BGA เซรามิก) และแผ่นทองแดงแข็ง สิ่งเดียวที่เหลือที่จะดูดซับพลังงานคือเรซินลามิเนต เรซินเป็นสิ่งที่ “นุ่มที่สุด” ในห่วงโซ่ความแข็งสูงเฉพาะนั้น ดังนั้นมันจึงฉีกขาด

การเปลี่ยนไปใช้โลหะผสมที่มีโมดูลัสต่ำกว่า เช่น SAC105 หรือโลหะผสมที่มีการเติมเงินต่ำบางชนิด สามารถลดการเกิดรอยบุ๋มได้อย่างมาก โลหะผสมที่นุ่มกว่านี้จะเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกในระหว่างแรงกระแทก ดูดซับพลังงานที่อาจถ่ายโอนไปยังลามิเนต มันรู้สึกผิดสำหรับวิศวกรที่จะขอบัดกรีที่ “อ่อนแอ” แต่ในบริบทของแรงกระแทกทางกล ความยืดหยุ่นคือการอยู่รอด แน่นอนว่านี่นำไปสู่การแลกเปลี่ยน: ปริมาณเงินต่ำมักลดความน่าเชื่อถือในการทนต่อการหมุนเวียนความร้อน คุณต้องชั่งน้ำหนักความเสี่ยงที่อุปกรณ์จะเสียจากการตกกับความเสี่ยงที่มันจะเสียจากความเมื่อยล้าทางความร้อนในห้าปี แต่สำหรับอุปกรณ์มือถือ การตกมักเป็นสาเหตุหลักของความเสียหาย

เรขาคณิตคือชะตากรรม

สุดท้ายแล้ว คุณไม่สามารถหลอกฟิสิกส์ด้วยสเปควัสดุได้ หากคุณวาง BGA ขนาดใหญ่และหนักไว้ตรงกลางของ PCB บาง ๆ แล้วติดตั้ง PCB นั้นด้วยสกรูเพียงที่มุมไกล ๆ คุณได้สร้างแทรมโพลีน เมื่อแทรมโพลีนโค้งงอในระหว่างแรงกระแทก ความโค้งจะสูงสุดที่ตรงกลาง—ซึ่งเป็นที่ที่ BGA ของคุณบัดกรีอยู่

การแก้ไขที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับรอยบุ๋มที่แผ่นรองมักไม่เกี่ยวข้องกับวัสดุลามิเนตใหม่ โดยปกติคุณเพียงแค่ต้องสกรูยึดใหม่ การเพิ่มสแตนด์ออฟหรือบอสสนับสนุนใกล้ BGA ขนาดใหญ่จะเพิ่มความแข็งในท้องถิ่นของบอร์ด ป้องกันการโค้งงอที่ทำให้เกิดรอยร้าว คุณกำลังเปลี่ยนรูปแบบโหมดของบอร์ดในระหว่างการสั่นสะเทือน

สิ่งนี้ใช้กับการเดินสายด้วย ในขณะที่ “การฉีกขาดของเส้นทาง” เป็นญาติของการเกิดรอยบุ๋ม (ที่ทองแดงเส้นทางฉีกขาดที่คอดใกล้แผ่นรอง) วิธีแก้ก็คล้ายกัน หยดน้ำตาและเส้นทางเข้าที่กว้างขึ้นช่วยกระจายความเครียด แต่ไม่มีการเพิ่มความหนาของเส้นทางใด ๆ ที่จะช่วยแผ่นรองได้หากบอร์ดถูกปล่อยให้โค้งงอ 4 มม. ในระหว่างแรงกระแทก

คุณต้องติดตามเส้นแรง ดูว่ามวลอยู่ที่ไหน (แบตเตอรี่, ฮีทซิงค์, ชิลด์) และดูว่าจุดยึดอยู่ที่ไหน หากอุปกรณ์ที่ไวต่อความเสียหายนั่งอยู่บน “เส้นรอยแตก” ระหว่างจุดเหล่านี้ คุณกำลังพึ่งพาความทนทานต่อการแตกของชั้นบาง ๆ ของอีพ็อกซี่เพื่อยึดผลิตภัณฑ์ของคุณไว้ นั่นคือการพนันที่คุณจะสูญเสียในที่สุด รัดมวลให้แน่น แข็งแกร่งบอร์ดในท้องถิ่น และหยุดหวังว่าเรซินจะช่วยคุณ