ฟิสิกส์ที่ซ่อนอยู่ของความล้มเหลวของโมดูลแบบ Castellated

ใน CAD โมดูลแบบ castellated ดูเหมือนเป็นกลยุทธ์การรวมที่สมบูรณ์แบบ มันวางลงบนเมนบอร์ดเหมือนบล็อกเลโก้ แบนและมั่นคง เสนอพลังงานไร้สายหรือคอมพิวเตอร์ที่ได้รับการรับรองล่วงหน้าโดยไม่ต้องปวดหัวกับการจัดวาง RF มันดูแข็งแรง แต่ความเรียบง่ายทางสายตานั้นเป็นกับดัก เมื่อบอร์ดออกจากเตารีโฟลว์และเข้าสู่ความเป็นจริงทางความร้อนในสนาม โมดูลที่ “แข็งแรง” นั้นกลายเป็นเกาะเซรามิกที่แข็งและหนักต่อสู้กับทะเล FR4 ที่ยืดหยุ่น

สิ่งเดียวที่เป็นตัวกลางในการต่อสู้ครั้งนี้คือชุดของข้อต่อบัดกรีเล็ก ๆ ตามขอบ หากคุณปฏิบัติต่อข้อต่อเหล่านี้เหมือนตัวยึดกลไก การออกแบบจะล้มเหลว บัดกรีเป็นโลหะผสมที่เปราะ ไม่ใช่กาวโครงสร้าง มันเหนื่อยล้าภายใต้แรงเฉือน แตกหักภายใต้การสั่นสะเทือน และแตกเมื่อบอร์ดงอ ความล้มเหลวมักไม่เกิดขึ้นบนโต๊ะทำงาน แต่มักเกิดขึ้นหกเดือนต่อมา เมื่อกลุ่มอุปกรณ์ติดตามในมินนิโซตาดับในช่วงอากาศหนาว หรือโดรนลงจอดแรงเกินไปบนคอนกรีต ความแตกต่างระหว่างผลิตภัณฑ์ที่เชื่อถือได้กับการเรียกคืนมักขึ้นอยู่กับเศษส่วนของมิลลิเมตรในรูปทรงแผ่นที่ Datasheet ส่วนใหญ่บอกให้คุณละเลยอย่างชัดเจน

ฟิสิกส์ของรอยแตกมุม

ศัตรูหลักภายในข้อต่อคือความไม่ตรงกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) โมดูลประสิทธิภาพสูงส่วนใหญ่—ไม่ว่าจะเป็นเครื่องรับ GPS u-blox หรือโมเด็มเซลลูลาร์ที่หนาแน่น—ถูกสร้างบนวัสดุรองรับที่แข็งแรงทางกลและมีความแตกต่างทางความร้อนจาก FR4 มาตรฐานของบอร์ดหลัก เมื่ออุปกรณ์เปิดใช้งาน หรือเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเปลี่ยนแปลงจาก -40°C ถึง +85°C เมนบอร์ดและโมดูลจะขยายตัวในอัตราที่ต่างกัน

การขยายตัวนี้สร้างแรงเฉือนที่ฉีกข้อต่อบัดกรี แรงดันไม่ได้กระจายอย่างสม่ำเสมอ; กลศาสตร์พื้นฐานกำหนดให้มันรวมตัวที่จุดที่ไกลจากศูนย์กลางที่สุด: มุม แผ่นมุมเป็นจุดหมุนของชุดประกอบ รับแรงกดดันจากทุกวงจรความร้อนและการบิดกลไก หากคุณตรวจสอบบอร์ดที่ล้มเหลวภายใต้กล้องจุลทรรศน์ คุณจะเห็นรอยแตกเส้นผมเริ่มต้นที่ปลายแผ่นมุม แพร่กระจายผ่านชั้นอินเตอร์เมทัลลิกจนการเชื่อมต่อไฟฟ้าขาด

นี่คือเหตุผลที่บัดกรี “เพียงพอ” ไม่เพียงพอ ข้อต่อจำเป็นต้องมีรูปร่างเฉพาะ—ฟิลเล็ตที่แข็งแรง—เพื่อกระจายแรงเหล่านี้ ข้อต่อแบนและขาดแคลนที่สร้างโดยการคัดลอกแบบแผ่นวงจร 1:1 อาจผ่านการทดสอบความต่อเนื่องทางไฟฟ้าพื้นฐานที่โรงงาน แต่ไม่มีอายุความเหนื่อยล้าเลย มันคือเวลานับถอยหลัง

รูปแบบแผ่นวงจรใน Datasheet มักจะผิด

สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของความล้มเหลวของข้อต่อ castellated คือการปฏิบัติตาม “รูปแบบแผ่นวงจรที่แนะนำ” ใน Datasheet ของผู้ขายอย่างไม่ลืมหูลืมตา ฟังดูขัดแย้ง—แน่นอนว่าผู้ผลิตรู้ดีที่สุด? แต่แรงจูงใจของผู้ขายมักไม่สอดคล้องกับความต้องการความน่าเชื่อถือของคุณ พวกเขาต้องการทำตลาดโมดูลให้ดู “กะทัดรัด” และ “ประหยัดพื้นที่” ดังนั้นรูปแบบแผ่นวงจรที่แนะนำของพวกเขามักจะลดขนาดแผ่นลงเหลือน้อยที่สุด เพื่อให้คุณสามารถเดินสายรอบอุปกรณ์ได้อย่างแน่นหนา

สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง ให้ละเลยคำแนะนำเหล่านี้และออกแบบสำหรับฟิลเล็ต มิติที่สำคัญคือ “Toe” — ส่วนของแผ่นที่ยื่นออกไปด้านนอก ห่างจากขอบโมดูล รูปแบบแผ่นวงจรมาตรฐานของผู้ขายอาจให้การยื่น Toe 0.1 มม. หรือ 0.2 มม. ซึ่งแทบจะไม่พอที่จะสร้างเมนิสคัส สำหรับการประกอบระดับ Class 2 หรือ Class 3 ตามมาตรฐาน IPC คุณต้องมีฟิลเล็ตบัดกรีที่มองเห็นได้และตรวจสอบได้ที่ไต่ขึ้นผนังของ castellated

กฎง่าย ๆ สำหรับการออกแบบที่แข็งแรงคือขยายแผ่นบนเมนบอร์ดอย่างน้อย 0.5 มม. ถึง 0.8 มม. เกินขอบของโมดูล ทองแดงส่วนเกินนี้ทำหน้าที่เป็นแหล่งเก็บและทางวิ่ง ในระหว่างการรีโฟลว์ มันจะถือปริมาณบัดกรีพาสต์ที่มากขึ้น เมื่อฟลักซ์ทำงาน แรงตึงผิวจะดึงบัดกรีส่วนเกินขึ้นไปตามผนังตั้งของ castellated สร้างความลาดเอียงเว้ากระจายแรงแทนที่จะเป็นข้อต่อที่เปราะบาง

หากคุณกำลังออกแบบรูปแบบแผ่นวงจรของคุณเอง ให้แน่ใจว่าคุณกำลังดูมุมมองที่ถูกต้อง เป็นเรื่องที่พบได้บ่อยอย่างน่าหงุดหงิดที่จะเห็นบอร์ดเวอร์ชัน 1 ที่รูปแบบแผ่นวงจรถูกสะท้อนกลับเพราะผู้ออกแบบดูที่ “มุมมองด้านล่าง” ของโมดูลและนำไปใช้กับ “มุมมองด้านบน” ของบอร์ด คุณกำลังดู ผ่าน แผงวงจร ไม่ใช่ที่มัน ตรวจสอบพิน 1 อีกครั้ง

คุณกำลังออกแบบสเตนซิล ไม่ใช่แค่บอร์ด

เรขาคณิตเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของการต่อสู้; ปริมาตรเป็นอีกครึ่งหนึ่ง ข้อต่อแบบ castellated ต้องการปริมาณบัดกรีมากกว่าผิวแผ่นทองแดงแบบแบนปกติอย่างมาก เพราะบัดกรีต้องฝ่าความโน้มถ่วง ต้องเปียกผิวแผ่นทองแดงแล้วปีนขึ้นไปตามรูที่ตัดครึ่งแนวตั้ง หากคุณใช้ช่องเปิดสเตนซิลแบบมาตรฐานที่ตรงกับผิวทองแดง 1:1 คุณอาจจะได้ผลลัพธ์ที่ปฏิเสธเนื่องจาก "การเปียกไม่เพียงพอ" ปริมาณบัดกรีที่พิมพ์บนผิวแผ่นแบนไม่เพียงพอที่จะเคลือบผนังแนวตั้งเมื่อสารระเหยในฟลักซ์ถูกเผาไหม้หมด

คุณต้องบังคับกระบวนการโดยการพิมพ์ทับช่องเปิด ช่องเปิดสเตนซิลสำหรับผิว castellated ควรใหญ่กว่าผิวทองแดงเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งขยายออกไปด้านนอก การปรับเปลี่ยนที่พบบ่อยคือเพิ่มความยาวช่องเปิดจาก 10% เป็น 20% ในทิศทางที่ห่างจากโมดูล เมื่อบัดกรีละลาย มันจะดึงกลับไปที่การชุบทองหรือดีบุกของผิว (เพราะบัดกรีจะไม่ติดกับหน้ากากบัดกรี) สร้าง "เนิน" ของโลหะหลอมเหลวที่ช่วยให้อากาศแนวตั้งดูดซึมได้

พูดคุยเรื่องนี้กับโรงงานประกอบของคุณ หากพวกเขาใช้ฟอยล์มาตรฐาน 4 มิล หรือ 5 มิล โดยไม่มีการปรับเปลี่ยน ผลผลิตของคุณจะลดลง คุณอาจเห็นการเปียก แต่การตรวจสอบด้วยเอ็กซ์เรย์จะเผยให้เห็นช่องว่างหรือการเชื่อมต่อบางที่ไม่สามารถทนต่อการทดสอบการตกหล่นได้

ฆาตกรที่มองไม่เห็น: การวางตำแหน่งและการแยกแผง

แม้แต่โมดูลที่บัดกรีอย่างสมบูรณ์แบบก็อาจถูกทำลายก่อนออกจากโรงงาน การวางตำแหน่งทางกายภาพของโมดูลสัมพันธ์กับขอบแผงวงจรและแท็บแยกเป็นตัวแปรความน่าเชื่อถือที่มักถูกมองข้ามจนสายเกินไป

ดูที่ “mouse bites” — แท็บเจาะรูที่ใช้ยึด PCB ในแผงระหว่างการประกอบ เมื่อแท็บเหล่านี้ถูกหักหรือถูกตัดออก (การแยกแผง) คลื่นแรงกระแทกทางกลจะเดินทางผ่าน FR4 หากโมดูล castellated ที่แข็งนั่งอยู่ใกล้จุดความเครียดเหล่านี้เกินไป — เช่น ภายใน 5 มม. — พลังงานนั้นจะถูกถ่ายโอนไปยังข้อต่อบัดกรีที่ใกล้ที่สุดโดยตรง เนื่องจากโมดูลแข็งและแผงวงจรโค้งงอ ข้อต่อบัดกรีจึงแตก

ความเสียหายนี้เป็นอันตรายเพราะมักมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า แผงวงจรอาจผ่านการทดสอบการทำงานเพราะพื้นผิวที่แตกสองด้านยังสัมผัสกันอยู่ แต่ครั้งแรกที่อุปกรณ์สั่นสะเทือนในรถบรรทุกหรือกระเป๋า การเชื่อมต่อจะเปิดออก ให้เก็บโมดูล castellated ให้ห่างจากขอบแผงวงจร และบังคับใช้โซนห้ามเข้าอย่างเข้มงวดรอบแท็บแยก หากการออกแบบบังคับให้โมดูลอยู่ใกล้ขอบ ให้ยืนยันกระบวนการแยกแผงด้วยการตัดด้วยเครื่องตัดเร้าเตอร์แทนการใช้ “เครื่องตัดพิซซ่า” ทางกลหรือการหักด้วยมือ ซึ่งจะสร้างแรงบิดสูงกว่ามาก

บันทึกเกี่ยวกับการบัดกรีด้วยมือ

มีความต้องการอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะในขั้นตอนการสร้างต้นแบบ ให้บัดกรีโมดูลเหล่านี้ด้วยมือ แม้ว่าจะเป็นไปได้ทางเทคนิคที่จะสร้างการเชื่อมต่อไฟฟ้าด้วยหัวแร้ง แต่แทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้าง ที่เชื่อถือได้ หนึ่งเดียว

ฟิสิกส์ของการถ่ายเทความร้อนทำงานต่อต้านคุณ หัวแร้งให้ความร้อนที่จุดเดียวบนปลายผิวแผ่นทองแดง พยายามให้ความร้อนทั่วทั้งถัง castellated อย่างสม่ำเสมอ ผลลัพธ์มักเป็นข้อต่อ “เย็น” ที่ด้านบนของรู หรือก้อนบัดกรีที่นั่งอยู่บนพื้นผิวโดยไม่เปียกแบบอินเตอร์เมทัลลิกจริง ๆ โดยไม่มีแรงตึงผิวสม่ำเสมอของเตารีโฟลว์ ยังควบคุมปริมาณได้ยาก นำไปสู่การเชื่อมขาสั้นหรือข้อต่อที่ขาด หากคุณถูกบังคับให้แก้ไขโมดูลหรือสร้างต้นแบบด้วยมือ ให้ใช้ลมร้อนและฟลักซ์ในปริมาณมากเพื่อเลียนแบบสภาพแวดล้อมรีโฟลว์ให้ใกล้เคียงที่สุด แต่เข้าใจว่าข้อต่อเหล่านี้ไม่ควรเชื่อถือสำหรับการทดสอบการสั่นสะเทือน

ความน่าเชื่อถือเป็นทางเลือก

ความล้มเหลวของโมดูล castellated แทบไม่เคยเป็นปริศนา มันเป็นผลลัพธ์ที่คาดการณ์ได้ของฟิสิกส์ที่กระทำต่อโลหะที่ไม่เพียงพอ โดยการขยายปลายของรอยเท้า การพิมพ์ทับสเตนซิล และเคารพความเครียดทางกลของแผงวงจร คุณเปลี่ยนการเชื่อมต่อที่เปราะบางให้เป็นองค์ประกอบโครงสร้างที่แข็งแรง มันไม่เสียค่าใช้จ่ายในแง่ของ BOM แต่ต้องมีความมั่นใจที่จะละเมิดแผ่นข้อมูลและออกแบบให้เหมาะกับความเป็นจริงของโรงงานผลิต