เรขาคณิตของความล้มเหลว: ทำไมโมดูลแบบ Castellated ถึงแตกร้าวในสนาม

ความเงียบที่มีราคาสูงที่สุดในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์คือความเงียบที่เกิดขึ้นหลังจากการทดสอบฟังก์ชันที่ประสบความสำเร็จ เพียงเพื่อถูกทำลายหกเดือนต่อมาด้วยรายงานจากภาคสนาม ตัวติดตามกองเรือที่ติดตั้งบนโครงรถบรรทุกในดีทรอยต์หยุดรายงานตำแหน่งของมัน มิเตอร์อัจฉริยะในชั้นใต้ดินเกิดการทำงานเป็นช่วงๆ รายงาน 8D สุดท้ายมาถึงโต๊ะทำงาน และสาเหตุรากเหง้ามักจะเหมือนกันเสมอ: จุดบัดกรีที่แตกร้าวบนโมดูลแบบ castellated

ความล้มเหลวเหล่านี้แทบจะไม่ใช่ปัญหาทางไฟฟ้า ซิลิคอนภายในโมดูล Bluetooth หรือ GPS ยังดีอยู่ ความล้มเหลวเป็นปัญหาทางกลไก ซึ่งมักจะฝังอยู่ในการออกแบบนานก่อนที่จะตัดสเตนซิลครั้งแรก เมื่อคุณรวมโมดูลที่ได้รับการรับรองล่วงหน้า—ไม่ว่าจะเป็น u-blox GPS หรือหน่วย WiFi ของ Espressif—คุณกำลังยึดบล็อกแข็งเข้ากับแผ่น FR4 ที่ยืดหยุ่น หากการเชื่อมต่อนั้นพึ่งพาแผ่นบัดกรีขั้นต่ำที่แนะนำใน datasheet คุณกำลังสร้างผลิตภัณฑ์ที่จะผ่านการทดสอบเบิร์นอินที่โรงงานแต่จะล้มเหลวเมื่อเจอหลุมบ่อหรือรอบความร้อนครั้งแรก

ลืมเรื่อง “ชุดบัดกรีที่ไม่ดี” หรือความผิดพลาดของผู้ปฏิบัติงานไปได้เลย นี่คือปัญหาทางเรขาคณิต ฟิสิกส์ของข้อต่อ castellated ไม่ยอมให้อภัยและมีพฤติกรรมแตกต่างจากชิ้นส่วนติดตั้งบนพื้นผิวมาตรฐาน ในช่วงต้นแบบ โมดูลเหล่านี้มักจะบัดกรีด้วยมือ ช่างเทคนิคจะเทลวดบัดกรีลงบนข้อต่อ สร้างฟิลเล็ตรูปแบบใหญ่และแข็งแรงที่พันรอบ castellation ต้นแบบทำงานได้สมบูรณ์แบบบนโต๊ะทำงาน แต่เมื่อการออกแบบนั้นย้ายไปสู่การผลิตจำนวนมาก ปริมาณบัดกรีจะถูกกำหนดโดยสเตนซิลที่ตัดด้วยเลเซอร์ขนาด 5 มิลลิเมตร ข้อต่อที่ได้มีขนาดเล็กลงมาก และทันใดนั้น ความซ้ำซ้อนทางกลไกก็หายไป หากเรขาคณิตของแผ่นบัดกรีไม่ได้ออกแบบมาเพื่อความเป็นจริงของการผลิตที่ประหยัดนี้ ข้อต่อจะขาดสารอาหาร เครียด และในที่สุดก็แตกหัก

Datasheet คือเอกสารการตลาด

คุณต้องยอมรับว่า “รูปแบบแผ่นบัดกรีที่แนะนำ” ใน datasheet ของโมดูลไม่ใช่ความจริงทางวิศวกรรม—มันคือการประนีประนอม ผู้ขายโมดูลมีแรงจูงใจที่จะลดขนาดพื้นที่ของอุปกรณ์เพื่อให้ดูน่าสนใจสำหรับนักออกแบบที่ต่อสู้เพื่อพื้นที่บนบอร์ด พวกเขาแสดงแผ่นบัดกรีที่ยืดออกมาเพียงพอที่จะเชื่อมต่อไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมที่นิ่ง พวกเขาไม่ได้ปรับแต่งสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูงหรือความน่าเชื่อถือระดับ IPC Class 3

สำหรับข้อต่อ castellated ที่เชื่อถือได้ ให้ละเลยคำแนะนำของผู้ขายเรื่องการยืดแผ่นบัดกรี 0.8 มม. ให้ผลักดันไปใกล้เคียงกับ 1.2 มม. หรือแม้แต่ 1.5 มม. ทองแดงส่วนเกินนี้ไม่ใช่พื้นที่ที่เสียเปล่า มันคือรากฐานสำหรับ “Heel Fillet”

เกณฑ์การตรวจสอบด้วยสายตาส่วนใหญ่ (เช่น AOI มาตรฐาน) มุ่งเน้นที่ “Toe Fillet”—ความลาดเอียงของบัดกรีที่มันวาวที่มองเห็นได้ด้านนอกของโมดูล แต่ Toe รับน้ำหนักน้อยมาก ความสมบูรณ์ทางโครงสร้างของข้อต่อ castellated อยู่ที่ Heel—บัดกรีที่ไหลใต้โมดูลและขึ้นไปตามผนังด้านในของ castellation นี่คือที่ที่แรงเฉือนจากการโค้งงอของบอร์ดและการขยายตัวทางความร้อนมารวมกัน หากแผ่นบัดกรีของคุณหยุดที่ขอบโมดูล หรือยืดออกมาเพียงเล็กน้อย คุณจะไม่ได้ Heel fillet เลย คุณจะได้ “ข้อต่อแบบ butt joint” ที่อ่อนแอมากในแรงเฉือน โดยการยืดแผ่นบัดกรีออกไปด้านนอก คุณจะอนุญาตให้บัดกรีเปียกได้อย่างเหมาะสมและไหลกลับไปใต้ castellation สร้าง meniscus ที่สามารถดูดซับพลังงานการสั่นสะเทือนได้จริง

วิศวกรเครื่องกลมักพยายามแก้ปัญหาเรขาคณิตนี้ด้วยเคมี—โดยเฉพาะการเติมสารรองรับหรือเคลือบคอนฟอร์ม “เราไม่สามารถแค่ติดกาวมันลงไปได้ไหม?” เป็นคำถามที่พบบ่อยเมื่อพื้นที่จำกัด แม้ว่าการเติมสารรองรับจะเพิ่มความแข็งแรง แต่ก็ทำให้การซ่อมแซมเป็นฝันร้าย หากโมดูลล้มเหลวในการทดสอบฟังก์ชันและถูกติดกาวกับบอร์ด คุณมักจะต้องทิ้ง PCBA ทั้งหมด เคมีไม่ใช่ตัวแทนของเรขาคณิต ออกแบบแผ่นบัดกรีให้ถูกต้อง แล้วคุณจะไม่ต้องใช้กาว

การควบคุมรูรับแสง: จุดสั้นที่ซ่อนอยู่

เมื่อแผ่นบัดกรีมีขนาดใหญ่พอที่จะรองรับข้อต่อ ความเสี่ยงจะเปลี่ยนไปที่สเตนซิล สถานการณ์ภัยพิบัติทั่วไปเกี่ยวข้องกับโมดูล WiFi ที่มีโล่ RF โลหะ นักออกแบบวางรูปแบบ footprint และร้านสเตนซิลตัดรูเปิดขนาดมาตรฐาน 1:1 สำหรับแผ่นบัดกรี

ในการผลิต บัดกรีพาสต์ถูกพิมพ์ บอร์ดเข้าสู่เตารีโฟลว์ และบัดกรีพาสต์จะยุบตัวเมื่อร้อนขึ้น เนื่องจากแผ่นบัดกรี castellated มักมีขนาดใหญ่และเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า การยุบตัวนั้นอาจเชื่อมช่องว่างเล็กๆ ระหว่างแผ่นกราวด์และแผ่น VCC หากการเชื่อมนี้เกิดขึ้นใต้โล่โลหะของโมดูล จะมองไม่เห็นด้วย AOI (การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ) คุณจะไม่พบจนกว่าหน่วยจะดึงกระแสไฟฟ้ามากเกินไปที่สถานีทดสอบ

เราเคยเห็นการผลิตที่ 30% ของบอร์ดต้องซ่อมแซมเนื่องจากการเชื่อมที่ซ่อนนี้ วิธีแก้ไขคือการลดขนาดรูเปิดของสเตนซิลอย่างเข้มงวด คุณไม่จำเป็นต้องมีการปกคลุมบัดกรีพาสต์ 100% บนแผ่นบัดกรีขนาดใหญ่เหล่านี้ การลดลงเหลือ 80% หรือแม้แต่ 70%—โดยเฉพาะการดึงรูเปิดกลับจากขอบด้านในใต้โมดูล—เป็นสิ่งสำคัญ วิธีนี้ป้องกันการเกิด “ลูกบัดกรี” และการเชื่อมที่เกิดขึ้นในที่ที่คุณมองไม่เห็น

สิ่งนี้มีความผันผวนโดยเฉพาะถ้าคุณใช้ฟลักซ์ที่ละลายน้ำได้ ซึ่งอาจติดอยู่ใต้โมดูลและทำให้เกิดการเจริญเติบโตแบบ dendritic ในภายหลัง อย่างไรก็ตาม แม้จะใช้เคมีแบบ no-clean การเชื่อมทางกายภาพก็เป็นตัวทำลายทันที เป้าหมายคือการลดสารอาหารที่ขอบด้านในเล็กน้อยเพื่อป้องกันการเชื่อม ในขณะที่เติมเต็มส่วนขยายด้านนอกเพื่อสร้างฟิลเล็ตที่สำคัญนั้น

สภาพแวดล้อมทางกลไก

นอกเหนือจากการบัดกรีและสเตนซิล ตำแหน่งทางกายภาพของโมดูลบนบอร์ดกำหนดการอยู่รอดของมัน โมดูลแบบ castellated เป็นเหมือนอิฐเซรามิกแข็งหรือ FR4 แข็งที่วางอยู่บนบอร์ดหลักที่ยืดหยุ่น เมื่อบอร์ดหลักนั้นโค้งงอ—ไม่ว่าจะจากการขยายตัวทางความร้อน การสั่นสะเทือน หรือความรุนแรงของการแยกแผง—แรงเครียดจะสร้างโมเมนต์เฉือนที่ข้อต่อบัดกรี

การดำเนินการที่อันตรายที่สุดในชีวิตของโมดูล castellated มักเป็นช่วงเวลาที่บอร์ดถูกแยกออกจากแผง หากโมดูลที่มีน้ำหนักมากวางอยู่ห่างจากเส้น V-score ไม่เกิน 10 มม. การ “ดีด” ของเครื่องแยกแผงแบบ pizza-cutter จะส่งคลื่นช็อกผ่านไฟเบอร์กลาส เราเคยเห็นภาพตัดขวางที่แผ่นทองแดงถูกฉีกออกจากแผ่น FR4 ก่อนที่อุปกรณ์จะออกจากโรงงาน

หากผลิตภัณฑ์ถูกออกแบบสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง—เช่น เทเลเมติกส์ในรถยนต์ หุ่นยนต์อุตสาหกรรม หรือสิ่งใดที่ติดตั้งกับมอเตอร์—การวางตำแหน่งยิ่งสำคัญ หลีกเลี่ยงตรงกลางบอร์ดที่มีการ “สั่นสะเทือนแบบกลอง” (oscillation) รุนแรงที่สุด วางโมดูลใกล้สกรูยึดที่บอร์ดแข็งที่สุด

ถ้าคุณไม่สามารถย้ายโมดูล ไม่สามารถขยายแผ่นทองแดง และไม่สามารถเปลี่ยนสเตนซิลได้ คุณจะเหลือผลิตภัณฑ์ที่เหมือนนาฬิกานับถอยหลัง ไม่มีการปรับกระบวนการที่สาย SMT ใดๆ จะชดเชยชิ้นส่วนที่ต่อสู้ทางกลกับบอร์ดที่บัดกรีอยู่ได้ วิธีแก้จริงคือเคารพฟิสิกส์ของข้อต่อ: ให้ทองแดงจับยึด หลีกเลี่ยงขอบที่โค้งงอ และตรวจสอบส้นเท้า ไม่ใช่แค่ปลายเท้า