ความขัดแย้งที่มองไม่เห็นของการประกอบเทคโนโลยีผสม

วิศวกรที่มองหาการปรับปรุงบอร์ดวงจรที่เป็นมรดกมักเห็นเส้นทางที่ชัดเจนไปข้างหน้า โดยการปรับเปลี่ยนการออกแบบผ่านรู (THT) แบบคลาสสิกให้เป็นแบบ Surface-Mount (SMT) สมัยใหม่ ผลิตภัณฑ์สามารถเพิ่มฟังก์ชันใหม่และลดขนาดลงได้ ในโลกสองมิติที่สะอาดของการวาง CAD การผสมผสานนี้ดูเรียบง่าย แต่บนพื้นโรงงาน ซึ่งการออกแบบกลายเป็นวัตถุทางกายภาพ การอัปเกรดง่ายนี้เป็นจุดเริ่มต้นของความขัดแย้งด้านการผลิตที่ลึกซึ้ง

บอร์ดที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับส่วนประกอบผ่านรู (THT) คาดหวังกระบวนการที่ง่ายและเกือบจะเป็นชนบท ส่วนประกอบถูกใส่เข้าไป แล้วบอร์ดถูกส่งผ่านคลื่นของตะกั่วละลาย อย่างไรก็ตาม การนำ SMT เข้ามาไม่ใช่การเพิ่ม แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงความเป็นจริงของการผลิตทั้งหมด มันต้องการห้องปลอดเชื้อ เครื่องพิมพ์ตะกั่วละลาย และเครื่องจักรหุ่นยนต์สำหรับหยิบและวาง มากไปกว่านั้น มันบังคับให้บอร์ดผ่านเตา reflow ซึ่งเป็นวงจรให้ความร้อนบอร์ดทั้งแผ่น ซึ่งไม่เคยมีการออกแบบให้ทนต่อความร้อนสูงสุดของ PCB ดั้งเดิมและส่วนประกอบ THT ที่แข็งแกร่ง การเปลี่ยนแปลงเพียงครั้งเดียวนี้สร้างความเครียดที่อาจทำให้บอร์ดบิดเบี้ยว ทำให้ชั้นของมันหลุดลอก และเปลี่ยนน้ำที่ถูกกักเก็บให้กลายเป็นพลังทำลาย การเลือกออกแบบนี้สร้างความเสี่ยงที่ต้องจัดการตั้งแต่เริ่มวางแผ่น SMT แผ่นแรก

ความท้าทายหลัก: เรื่องราวของสองโลกความร้อน

หัวใจของการประกอบเทคโนโลยีผสมคือความขัดแย้งพื้นฐานด้านความร้อน ส่วนประกอบแต่ละประเภทถูกออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อมการบัดกรีที่แตกต่างกันอย่างสุดขั้ว และการบังคับให้พวกมันอยู่ร่วมกันบนบอร์ดเดียวกันสร้างความตึงเครียดในตัว ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของข้อบกพร่องในการผลิตส่วนใหญ่

ส่วนประกอบ Surface-mount คาดหวังสภาพแวดล้อมที่ควบคุมและอ่อนโยนของเตา reflow กระบวนการทั้งหมดถูกอุ่นล่วงหน้าอย่างระมัดระวัง นำไปสู่จุดสูงสุดของอุณหภูมิประมาณ 245°C เพียงพอที่จะละลายตะกั่ว และค่อยๆ เย็นลงด้วยความแม่นยำ กระบวนการนี้ถือว่าบอร์ดเป็นมวลความร้อนเดียวกัน เป็นกระบวนการที่กำหนดโดยความสม่ำเสมอและการควบคุม

ในทางตรงกันข้าม ส่วนประกอบผ่านรู (THT) เกิดจากกระบวนการที่ใช้ความร้อนในท้องถิ่นและรุนแรง ในการบัดกรีด้วยคลื่น ส่วนประกอบจะถูกลากผ่านคลื่นของตะกั่วที่ไหล ซึ่งมักมีอุณหภูมิสูงถึง 260°C ความร้อนนี้รวดเร็วและเข้มข้น จำกัดอยู่ที่ด้านตะกั่ว เมื่อคุณบังคับให้สองโลกนี้มารวมกัน คุณจะไม่มีตัวเลือกในอุดมคติ คุณต้อง either ให้บอร์ดผ่านวงจรความร้อนหลายรอบที่เครียด หรือพยายามใช้กระบวนการเดียวที่ผลักส่วนประกอบหนึ่งไปยังขีดจำกัดที่เกินกว่าที่ตั้งใจไว้

การนำทางความประนีประนอม: การเลือกลำดับการประกอบ

เพื่อแก้ไขความขัดแย้งด้านความร้อนนี้ ผู้ผลิตได้พัฒนาสามเส้นทางหลัก ตัวเลือกนี้ไม่ใช่แค่ด้านเทคนิค แต่เป็นการตัดสินใจเชิงกลยุทธ์ที่มีผลลัพธ์ลึกซึ้งต่อค่าใช้จ่าย ความเร็วในการผลิต และความน่าเชื่อถือสุดท้ายของบอร์ด

วิธีที่เก่าแก่ที่สุดคือการวางและ reflow ส่วนประกอบ SMT ก่อน แล้วจึงใส่ชิ้นส่วน THT และนำบอร์ดทั้งหมดผ่านเครื่องบัดกรีด้วยคลื่น สำหรับการผลิตในปริมาณมาก ลำดับนี้รวดเร็วและคุ้มค่า แต่ก็มีราคาที่สูงในด้านความเสี่ยง ส่วนประกอบ SMT ใต้บอร์ดต้องถูกยึดด้วยกาว และต้องทนต่อการจุ่มในคลื่นตะกั่วที่ร้อนถึง 260°C ซึ่งเป็นการทดสอบที่โหดร้ายที่หลายส่วนประกอบไม่ได้รับการออกแบบให้ผ่าน

แนวทางที่ทันสมัยและอ่อนโยนกว่ามากเริ่มต้นด้วยกระบวนการ reflow มาตรฐานของ SMT อย่างไรก็ตาม หลังจากนั้น หุ่นยนต์บัดกรีแบบเลือกสรรจะจัดการส่วนประกอบ THT โดยใช้หัวฉีดที่สามารถโปรแกรมได้ ซึ่งปล่อยตะกั่วในปริมาณน้อยและตรงเป้าหมายเฉพาะจุดของขา THT เท่านั้น ซึ่งช่วยให้ความร้อนเข้มข้นอยู่ในพื้นที่จำกัด ปกป้องส่วนที่เหลือของบอร์ด กระบวนการนี้ปลอดภัยกว่าสำหรับส่วนประกอบที่อ่อนไหว แต่ก็มีค่าใช้จ่ายสูง ระบบหุ่นยนต์เป็นค่าใช้จ่ายด้านทุนที่สำคัญ และเนื่องจากกระบวนการเป็นแบบลำดับ การบัดกรีทีละจุด จึงช้ากว่าการบัดกรีด้วยคลื่นอย่างมีนัยสำคัญ

เส้นทางที่สามมุ่งหวังประสิทธิภาพสูงสุดของการ reflow ด้วยกระบวนการเดียว โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า Pin-in-Paste (PiP) ซึ่งส่วนประกอบ THT ที่มีอุณหภูมิสูงจะถูกใส่เข้าไปในรูที่พิมพ์ด้วยตะกั่ว ซึ่งเหมือนกับแผ่น SMT จากนั้นบอร์ดทั้งแผ่น รวมทั้งสองประเภทของส่วนประกอบ จะผ่านเตา reflow เพียงครั้งเดียว ซึ่งเป็นการกำจัดขั้นตอนการบัดกรีทั้งหมด แต่ความสำเร็จขึ้นอยู่กับระดับการควบคุมกระบวนการที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งมีช่องว่างน้อยสำหรับความผิดพลาด

ปัญหาความแม่นยำของ Pin-in-Paste

ความเป็นไปได้ของกระบวนการ Pin-in-Paste ขึ้นอยู่กับตัวแปรเดียวที่ยาก: ปริมาณของซ็อลเดอร์เพสต์ ปริมาณของเพสต์ที่พิมพ์เข้าไปในรูผ่านต้องคำนวณด้วยความแม่นยำสูง มันต้องเพียงพอที่จะเติมช่องว่างระหว่างขาอุปกรณ์และท่อเคลือบของรู ซึ่งเรียกว่าการเติม “บาเรล” ในขณะเดียวกันก็ต้องสร้างฟิลเลตซ็อลเดอร์ที่เหมาะสมทั้งสองด้านของบอร์ด

สิ่งนี้สร้างหน้าต่างกระบวนการที่แคบมากเกินไป เพียงน้อยเกินไปของเพสต์จะทำให้จุดเชื่อมต่ออ่อนแอและมีการเติมไม่เพียงพอ ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่ละเมิดมาตรฐานอุตสาหกรรมเช่น IPC-A-610 ซึ่งมักต้องการการเติมแนวตั้งมากกว่า 75% อย่างไรก็ตาม เพสต์มากเกินไปจะถูกบีบออกเมื่อใส่อุปกรณ์ สิ่งนี้สามารถกลายเป็นลูกซ็อลเดอร์ที่เคลื่อนที่ในระหว่างการรีโฟลว์ ซึ่งสร้างวงจรลัดที่ร้ายแรง การได้ปริมาณที่ถูกต้องต้องใช้แม่พิมพ์ที่ออกแบบเฉพาะและกระบวนการพิมพ์ที่มีความสามารถในการทำซ้ำเกือบสมบูรณ์ ทำให้เป็นกระบวนการที่ไวต่อความผิดพลาดมากกว่าการประกอบ SMT มาตรฐาน

เมื่อ “พอแล้ว” ไม่เพียงพอ: Preforms กับ Pin-in-Paste

สำหรับแอปพลิเคชันที่ความสมบูรณ์ของการเชื่อม THT เป็นสิ่งที่ไม่สามารถต่อรองได้ เช่น กับตัวเชื่อมต่อที่มีมวลความร้อนสูงในอวกาศหรืออุปกรณ์ทางการแพทย์ ความเสี่ยงของกระบวนการ Pin-in-Paste อาจเป็นที่ยอมรับไม่ได้ ที่นี่ ผู้ผลิตต้องเผชิญกับการเลือกแบบคลาสสิกระหว่างต้นทุนกระบวนการและความน่าเชื่อถือที่รับประกัน โดยเปรียบเทียบ PiP กับทางเลือกอื่น: การเตรียมบัดกรีล่วงหน้า

Preforms เป็นรูปร่างเล็ก ๆ ที่ออกแบบอย่างแม่นยำของโลหะซ็อลเดอร์ที่วางไว้ในหรือรอบ ๆ รูผ่านก่อนการใส่อุปกรณ์ พวกมันเป็นทางออกด้านวัสดุ ไม่ใช่ด้านกระบวนการ พวกมันรับประกันปริมาณซ็อลเดอร์ที่แน่นอนและสามารถทำซ้ำได้สำหรับทุกจุดเชื่อมต่อ ทำให้การเชื่อมต่อมีความแข็งแรงเป็นพิเศษ ข้อแลกเปลี่ยนคือค่าใช้จ่ายและความซับซ้อน Preforms เป็นส่วนประกอบเพิ่มเติมที่ต้องหา จัดการ และวางบนบอร์ด ซึ่งเพิ่มต้นทุนวัสดุและขั้นตอนกระบวนการอีกขั้น การตัดสินใจจึงกลายเป็นเชิงกลยุทธ์ Pin-in-Paste เป็นทางออกที่ชาญฉลาดสำหรับผลิตภัณฑ์ที่เน้นต้นทุน ซึ่งความแปรปรวนของกระบวนการเป็นความเสี่ยงที่ยอมรับได้ ซ็อลเดอร์ preforms เป็นนโยบายประกันสำหรับการใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง ซึ่งไม่สามารถมีความล้มเหลวของจุดเชื่อมต่อได้

ความเป็นจริง 3 มิติของพื้นโรงงาน

ในพื้นที่ว่างของเครื่องมือออกแบบ แผงวงจรเป็นพื้นสองมิติ มุมมองนี้เป็นแหล่งของความผิดพลาดที่บ่อยที่สุดและมีค่าใช้จ่ายสูงที่สุดที่นักออกแบบทำเมื่อสร้างบอร์ดเทคโนโลยีผสม พวกเขาลืมว่าการเชื่อมโลหะเป็นเครื่องจักรสามมิติที่ต้องการพื้นที่ทางกายภาพในการทำงาน

ในระหว่างการเชื่อมด้วยคลื่น องค์ประกอบ THT สูงอาจสร้าง “เงาซ็อลเดอร์” ซึ่งเป็นรอยตามที่กั้นการไหลของซ็อลเดอร์เหลวไม่ให้เข้าถึงชิ้นส่วน SMT ขนาดเล็กลงตามลำดับ ขึ้นอยู่กับความสูงของชิ้นส่วนนี้ อาจต้องมีเขตห้ามเข้าอย่างน้อย 15 มม. สำหรับการเชื่อมแบบเลือก การหัวฉีดหุ่นยนต์ต้องมีรัศมีชัดเจน 3 ถึง 5 มม. รอบแต่ละขาเพื่อเข้าใกล้ เชื่อม และถอยโดยไม่ชนกับชิ้นส่วนข้างเคียง การวางตัวคาปาซิเตอร์หรือคอนเนคเตอร์สูงในเขตนี้ทำให้การเชื่อมอัตโนมัติเป็นไปไม่ได้ การละเลยง่าย ๆ นี้ ซึ่งเกิดจากแนวคิดแบบ 2 มิติ บังคับให้การประกอบต้องทำด้วยมือ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ช้า ค่าใช้จ่ายสูง และทำซ้ำได้น้อยกว่ามาก ซึ่งทำลายผลกำไรและเสี่ยงต่อคุณภาพ

กายวิภาคของความล้มเหลว

เมื่อความขัดแย้งทางความร้อนและความเป็นจริงทางกายภาพของการประกอบเทคโนโลยีผสมถูกละเลยในระหว่างการออกแบบ จะเกิดข้อบกพร่องเฉพาะกลุ่มขึ้น ซึ่งไม่ใช่ปัญหาทั่วไปของกระบวนการประกอบใด ๆ แต่เป็นผลโดยตรงและสามารถคาดการณ์ได้จากการบังคับให้เทคโนโลยีสองชนิดที่ไม่เข้ากันเข้าด้วยกัน

เงาซ็อลเดอร์ที่สร้างโดยองค์ประกอบ THT สูงในกระบวนการคลื่น ทำให้แผ่น SMT ข้างล่างถูกละเลยโดยสมบูรณ์ ส่งผลให้วงจรเปิด ในส่วนอื่นของบอร์ด ช็อกความร้อนจากคลื่นที่อุณหภูมิ 260°C อาจเป็นหายนะสำหรับชิ้นส่วน SMT ด้านล่าง เป็นที่ทราบกันว่าทำให้เกิดรอยร้าวจุลภาคในคาปาซิเตอร์เซรามิกและสร้างความเสียหายแฝงต่อวงจรรวมที่อ่อนไหว ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวในสนามที่ลึกลับหลายเดือนหลังจากที่ผลิตภัณฑ์ถูกส่งออกไป

แม้แต่เครื่องมือที่ออกแบบมาเพื่อปกป้องบอร์ดก็อาจกลายเป็นแหล่งความล้มเหลว วัสดุคอมโพสิตที่ใช้สำหรับพาเลทซ็อลเดอร์คลื่นเป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม ในขณะที่มันป้องกันชิ้นส่วน SMT อย่างมีประสิทธิภาพ มันยังบล็อกเครื่องอุ่นอินฟราเรด หากวิศวกรกระบวนการไม่พัฒนารูปแบบความร้อนที่กำหนดเองซึ่งคำนึงถึงสิ่งนี้ แผงจะมาถึงจุดเชื่อมด้วยคลื่นโดยไม่ได้รับการอุ่นล่วงหน้าพอ ความช็อกความร้อนนี้ทำให้การไหลของซ็อลเดอร์ไม่ดีและเป็นข้อบกพร่องที่กระบวนการพยายามหลีกเลี่ยง: การเติมรูในองค์ประกอบ THT ไม่เพียงพอ เมื่อเวลาผ่านไป ความเครียดสะสมจากรอบความร้อนหลายรอบนี้อาจทำให้บอร์ดทั้งแผงบิดเบี้ยว ทำให้การเชื่อมต่อที่อ่อนแอขององค์ประกอบขนาดใหญ่ เช่น BGAs แตกหักและสร้างความล้มเหลวเป็นระยะ ๆ ซึ่งแทบจะแก้ไขไม่ได้

การออกแบบเพื่อการผลิต: การเปลี่ยนแปลงมุมมอง

วิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับความท้าทายเหล่านี้ไม่ได้อยู่ในเครื่องจักรที่ล้ำหน้าหรือการตรวจสอบที่ซับซ้อน แต่พบในระยะเริ่มต้นของการออกแบบ โดยการนำแนวคิดที่คาดการณ์กระบวนการผลิตตั้งแต่ต้น

การปกป้องสิ่งที่เปราะบาง

กลยุทธ์หลักคือการปกป้องชิ้นส่วน SMT ที่อ่อนไหวและมีราคาแพงจากความรุนแรงที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของกระบวนการเชื่อม THT ซึ่งเริ่มต้นด้วยการวางผัง การปฏิบัติที่เชื่อถือได้ที่สุดคือการวางชิ้นส่วนที่มีมูลค่าสูง เช่น ตัวประมวลผล BGAs และ IC ที่มีความละเอียดสูงไว้ด้านบนของบอร์ด พร้อมกับการใส่องค์ประกอบ THT จากด้านบนด้วย กระบวนการเชื่อมที่รุนแรงไม่ว่าจะเป็นคลื่นหรือแบบเลือก จะถูกจำกัดไว้ที่ด้านล่างของบอร์ด ห่างไกลจากสิ่งที่เปราะบาง

นอกจากการวางแล้ว นักออกแบบยังมีอำนาจในการกำหนดกระบวนการ การร้องขอการเชื่อมแบบเลือกในบันทึกการผลิตเป็นวิธีที่แน่นอนที่สุดในการปกป้องการประกอบ หากแรงกดดันด้านปริมาณสูงหรือค่าใช้จ่ายทำให้การเชื่อมด้วยคลื่นเป็นสิ่งจำเป็น วิธีแก้คือการร่วมมือกับผู้ผลิตในการสร้างพาเลทคลื่นแบบกำหนดเอง อุปกรณ์นี้ได้รับการออกแบบอย่างพิถีพิถันด้วยช่องและเกราะที่ทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน ปกป้องชิ้นส่วน SMT ด้านล่างในขณะที่ผ่านคลื่นร้อน เป็นทางออกที่เกิดจากประสบการณ์ โดยรับรู้ความเป็นจริงทางกายภาพของโรงงานและออกแบบเพื่อมัน แทนที่จะออกแบบในทางตรงกันข้าม