แรงโน้มถ่วงเป็นฝ่ายชนะ: การจัดการความเสี่ยงของการรีโฟลว์ด้านที่สอง

เสียงของชิ้นส่วนหนักตกลงมาจาก PCB ภายในเตารีเฟลโลว์เป็นเสียงที่ชัดเจน มันไม่ใช่เสียงแตกดังสนั่น แต่เป็นเสียงกลบเกลื่อนและกลไก ฟังค์ ซึ่งโดยปกติจะเกิดขึ้นในโซน 6 หรือ 7 ตอนที่บัดกรีเข้าสู่สภาวะของเหลว ถ้าคุณโชคดี ชิ้นส่วนจะร่วงลงไปบนพื้นเตาอย่างปลอดภัย ถ้าคุณโชคร้าย—และกฎหมายความน่าจะเป็นบอกว่าจะเป็นเช่นนั้น—มันจะลงบนตะแกรงสายพาน กระทบกลไกขับเคลื่อน หรือกลายเป็นไฟไหม้ขณะที่มันอบในโซนสูงสุดเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง

เมื่อคุณทำการประกอบแบบสองด้าน คุณกำลังขอให้ฟิสิกส์ละสายตาเป็นเวลา 3 นาที ด้านบนง่าย; แรงโน้มถ่วงช่วยให้ชิ้นส่วนยึดติดลง แต่เมื่อคุณพลิกบอร์ดนั้นกลับเพื่อทำซ้ำรอบที่สอง แรงโน้มถ่วงกลายเป็นศัตรู สิ่งเดียวที่ยึดเหนี่ยวตัวเหนี่ยงไฟฟ้าที่มีค่าแพงและแพ็คเกจ BGA เข้ากับบอร์ดคือความตึงผิวของบัดกรีหลอมเหลว ความสัมพันธ์นั้นไม่แน่นอน มันทำงานได้ดีจนกว่ามวลของชิ้นส่วนจะเอาชนะแรงเปียกของโลหะเหลว จากนั้นคุณจะพบกับสถานการณ์ที่ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยการปรับกระบวนการ

ฟิสิกส์ของแรงเปียกชื้น

เพื่อเข้าใจว่าทำไมชิ้นส่วนยังคงติดอยู่ — และเมื่อไหร่ที่พวกมันจะไม่ — ให้ดูที่การต่อสู้ระหว่างมวลและความตึงผิว เมื่อบัดกรีเปลี่ยนสถานะบนด้านที่สอง มันจะกลายเป็นของเหลว สำหรับโลหะผสม SAC305 มาตรฐาน ความตึงผิวอยู่ในระดับสูงที่ประมาณ 500 dynes/cm ซึ่งแรงนี้ทำหน้าที่เหมือนสปริงขจรขจายเล็ก ๆ ดึงชิ้นส่วนเข้าหาจุดกึ่งกลางของแผ่น สำหรับชิ้นส่วนส่วนใหญ่ แรงนี้แข็งแรงกว่แรงโน้มถ่วงหลายเท่า ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุ 0201 หรือแพ็คเกจ SOIC มักไม่ไปไหน พวกมันเบามากเมื่อเทียบกับขนาดของแผ่นกระจายของมัน จึงสามารถขึ้นลงในเตาในแนวตั้ง แนวขวาง หรือสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง และยังคงจัดตำแหน่งตัวเองไว้

ความปลอดภัยนี้จะสลายไปเมื่อชิ้นส่วนหนักขึ้นและบริเวณเชื่อมต่อของพวกมันยังคงมีขนาดค่อนข้างเล็ก วิศวกรมักสมมุติว่าหากชิ้นส่วนมี footprint ขนาดใหญ่ ก็มีพื้นที่บัดกรีมากขึ้น ซึ่งไม่เป็นความจริง ตัวเหนี่ยงกำลังไฟฟ้าที่มีการป้องกันอาจเป็นบล็อกเฟอร์ไรต์และทองแดงขนาด 12mm x 12mm ซึ่งหนัก 1.5 กรัม แต่อาจยึดติดกับแผ่นพาทที่มีขนาดเล็กมาก คุณจึงต้องตรวจสอบ อัตราส่วน Cg/Pa—แรงโน้มถ่วง (Cg) กับพื้นที่แผ่นทั้งหมด (Pa)

มี “แฮก” อย่างต่อเนื่องในร้านต้นแบบ ที่วิศวกรแนะนำให้ใช้เทป Kapton เพื่อช่วยยึดชิ้นส่วนเหล่านี้ไว้ ในการทำงานห้าบอร์ด คุณอาจพอใจได้ถ้าเทปไม่ทิ้งคราบหรือปล่อยก๊าสออกมาและปนเปื้อน จนเป็นอันตรายต่อการเชื่อม ต่อเนื่องเดียวกัน สำหรับการผลิต เทปนี้เป็นภาระ เทปล้มเหลว กาวละลาย และเพิ่มขั้นตอนการนำออกด้วยมือ ซึ่งอาจเสี่ยงที่จะฉีกชิ้นส่วนออกจากบอร์ดโดยสมบูรณ์

กฎเกณฑ์ทั่วไปในอุตสาหกรรมมักอ้างอิงประมาณ 30 กรัมต่อตารางนิ้วของพื้นที่แผ่นบัดกรี ถ้าภาระของส่วนประกอบเกินจากนี้ ความตึงผิวจะไม่สามารถยึดติดกับแรงโน้มถ่วงได้ แต่เป็นการคำนวณแบบคงที่ ซึ่งไม่รวมการสั่นสะเทือนของระบบสายพานเก่า หรือการพาความร้อนด้วยอากาศความเร็วสูงในเตา Heller MKIII หากการคำนวณของคุณบอกว่าคุณอยู่ที่ 90% ของขีดจำกัด จริงๆ แล้วคุณอยู่ที่ 110% ของขีดจำกัดความเสี่ยงเมื่อพิจารณาจากพลวัตในโลกความเป็นจริง ถ้าการคำนวณอยู่ในเกณฑ์เสี่ยง ส่วนประกอบจะร่วงตก

การออกแบบ: ทางเลือกฟรีเดียว

วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการป้องกันส่วนประกอบหนักจากการร่วงลงด้านล่างสุดคือไม่ใส่มันไว้ที่นั่นตั้งแต่แรก ฟังดูชัดเจน แต่เลย์เอาท์บอร์ดมักมาถึงโรงงานพร้อมตัวเชื่อมต่อขนาดใหญ่ หม้อแปลงหนัก และ BGAs ขนาดใหญ่ที่วางอยู่ด้านซองรองเนื่องจาก "พวกมันพอดี"

นี่มักเป็นความล้มเหลวของการแสดงภาพ ในเครื่องมือ CAD, แผ่นบอร์ดเป็นจิ๊กซอว์เชิงตรรกะที่เรียบง่ายและนามธรรม ในโรงงาน, มันคือวัตถุทางกายภาพที่ต้องรับภาระความร้อน ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ขนาด 10 มม. ที่ด้านล่างเป็นระเบิดเวลาที่กำลังจะแตก หากวิศวกรออกแบบเปลี่ยนตำแหน่งตัวเก็บประจุไปด้านบน, ปัญหาก็จะหายไปโดยไม่ต้องจ่ายเงิน หากปล่อยให้มันอยู่ด้านล่าง, คุณต้องผสมกาวหรือซื้ออุปกรณ์ติดตั้งไปตลอดชีวิต

บางครั้งข้อจำกัดด้านความหนาแน่นทำให้เป็นไปไม่ได้ คุณไม่สามารถใส่ทุกอย่างไว้ด้านบนของสมาร์ทโฟนรุ่นใหม่หรือ ECU ความหนาแน่นสูงได้ แต่มีลำดับชั้นในการวาง สิ่งที่มีมวลเบาจะวางไว้ด้านล่าง ตัว QFN ที่มีโปรไฟล์ต่ำจะวางไว้ด้านล่าง ส่วนประกอบที่หนัก สูง หรือมีการป้องกันจะต้องต่อสู้เพื่อพื้นที่ด้านบน ถ้าส่วนประกอบหนัก ต้อง ต้องการ

ความหลงเชื่อเรื่องกาว

เมื่อมีการปฏิเสธการเปลี่ยนแปลงในการออกแบบ การสนทนาก็จะเปลี่ยนไปเป็นเรื่องกาว "แค่กาวมัน" ซึ่งผู้จัดการโครงการคิดภาพแค่การทากาวง่ายๆ ที่แก้ปัญหาได้ ในความเป็นจริง การแนะนำกาว SMT (โดยทั่วไปเป็นอีพ็อกซี่สีแดง) เป็นการกระทำที่สิ้นหวังซึ่งเปลี่ยนปัญหาเชิงกลเป็นฝันร้ายทางเคมีและกระบวนการ

การจ่ายกาวไม่ฟรี ต้องใช้เครื่องจักรเฉพาะหรือขั้นตอนเฉพาะในรอบคัดเลือกและวาง คุณต้องใช้วาล์วจ๊ทหรือเครื่องพิมพ์แบบเทียนเพื่อวาดจุด หากใช้เทียน คุณจะมีความต้องการเทมเพลตแบบขั้นบันได — ความหนาสำหรับวางแป้งและอีกแบบสำหรับกาว ซึ่งซับซ้อนในการพิมพ์อย่างน่าเชื่อถือ หากใช้เครื่องจ่าย คุณจะเพิ่มเวลาในการทำงาน เครื่องจ่ายเช่น Asymtek มีความแม่นยำ แต่หัวพิมพ์อุดตัน สารอีพ็อกซี่มีอายุการเก็บรักษา ถ้าจุดสูงเกินไป มันจะแผ่ออก ถ้าสั้นเกินไป จะไม่แตะต้องตัวเครื่อง

จากนั้นก็มีการซ่อมแซม กาว SMT เป็นอีพ็อกซี่ที่ผ่านการตั้งแต่ร้อนเพื่อทนความร้อนของการไหลกลับที่ 240°C+ ซึ่งแข็งตัว เมื่ออินดักทีฟที่กาวไว้ล้มเหลวในทดสอบการทำงาน คุณไม่สามารถละลายกาวออกได้ง่าย ต้องใช้วิธีทำลายพันธะทางกล ซึ่งบ่อยครั้งหมายถึงการงัดเอาส่วนประกอบออก ซึ่งมักจะฉีกแผ่นทองแดงออกจากแรงดันของ FR4 คุณไม่ได้แค่เสียชิ้นส่วนเท่านั้น แต่ยังเสียดวงจรบอร์ดด้วย

ยังมีความสับสนเกี่ยวกับกาวชนิดใดที่จะใช้ ผู้คนค้นหาในฟอรั่มเกี่ยวกับ “กาวซุปเปอร์ทนความร้อนสูง” แต่กาวสำหรับผู้บริโภคปล่อยก๊าซออกมาทันทีในเตารีไฟล์ ซึ่งคุณต้องใช้กาว epoxies มาตรฐานอุตสาหกรรม (เช่น Loctite 3621) และต้องทำการบ่ม กระบวนการบ่มสำหรับกาวอาจขัดแย้งกับกระบวนการรีไฟล์ของตะกรันบัดกรี จึงต้องชะลอการเชื่อมโลหะเพื่อให้กาวแข็งตัว ซึ่งเต็มไปด้วยต้นทุนซ่อนเร้น

ความเป็นจริงของพาเลท (และภาษี)

ถ้าเลย์เอาท์ถูกกำหนดค่าคงที่แล้วและการใช้กาวมีความเสี่ยงเกินไป โซลูชันระดับมืออาชีพคือแผ่นอุ่นแบบเลือกเฉพาะ (หรืออุปกรณ์รองรับ) ซึ่งเป็นตัวพา โดยทั่วไปทำจากวัสดุคอมโพสิต เช่น Durostone หรือ Ricocel ที่ยึด PCB เอาไว้ มันมีช่องว่างเจาะรูเพื่อป้องกันส่วนประกอบด้านล่างจากลมและไม่ให้หล่นลงถ้าการเชื่อมหลอมเหลวเกิดขึ้น

นี่เป็นการแก้ปัญหาการยึดเกาะทันที ส่วนประกอบหนักด้านล่างถูกสนับสนุนหรือป้องกันทางกายภาพเพื่อให้ไม่ถึงอุณหภูมิรีไฟล์อีกต่อไป อย่างไรก็ตาม แผ่นรองรับนำเข้าสู่ภาระด้านความร้อนจำนวนมหาศาล คุณกำลังนำวัสดุผสมหนักเข้าไปในเตา ซึ่งดูดซับความร้อน

แผ่นรองรับสามารถมีน้ำหนักหนึ่งกิโลกรัมหรือมากกว่า เมื่อคุณรันโปรไฟล์ความร้อน คุณจะเห็นผลกระทบเป็นฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ ส่วนประกอบที่นั่งอยู่บนรางแผ่นรองที่หนาแน่น อาจไม่ถึงอุณหภูมิสูงสุดที่ 235°C–245°C คุณอาจแก้ไขปัญหาอินดักทีฟหล่นเหลวได้เพียงเพื่อสร้างความผิดพลาด “Head-in-Pillow” บน BGAs ด้านบนของคุณ เนื่องจากลูกบอลไม่พับเต็มที่ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ คุณต้องปรับอุณหภูมิในเตาหรือชะลอความเร็วสายพานเพื่อให้ความร้อนซึมเข้า ซึ่งจะลดอัตราการผลิต (หน่วยต่อชั่วโมง) และเสี่ยงต่อการ overheat ส่วนประกอบที่บอบบางซึ่งไม่ได้ถูกป้องกันด้วยแผ่นรอง

และแล้วก็มีความตกใจเรื่องสติ๊กเกอร์ ราคาพาเลทรีฟโลว์แบบคัดเลือกที่ดี อยู่ระหว่าง $300 ถึง $800 คุณไม่จำเป็นต้องมีหนึ่งอัน; คุณต้องการ 50 หรือ 100 เพื่อเติมวงจรเตา ทันใดนั้น การเก็บอุปกรณ์เหนือน้ำหนักในด้านล่างนี้มีค่าใช้จ่าย $30,000 ในเครื่องมือก่อนที่คุณจะขายได้แม้แต่ชิ้นเดียว

เส้นทางการตัดสินใจ

แรงโน้มถ่วงเป็นเรื่องที่สอดคล้องกัน มันไม่สนใจเส้นเวลาโครงการของคุณหรือข้อจำกัดด้านงบประมาณของคุณ เมื่อคุณกำลังจ้องมอง BOM ที่มีชิ้นส่วนด้านล่างหนัก คุณมีสามตัวเลือก และคุณต้องทำในลำดับนี้:

1. ตรวจสอบการออกแบบ: ต่อสู้เพื่อย้ายชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักไปด้านบน ใช้อัตราส่วน Cg/Pa เพื่อพิสูจน์ให้กับทีมออกแบบว่าชิ้นส่วน จะ ร่วงหล่น แจ้งให้พวกเขาทราบคณิตศาสตร์
2. ซื้อพาเลท: ถ้าออกแบบถูกแข็งตัว ให้งบประมาณสำหรับอุปกรณ์ยึด การยอมรับผลกระทบเวลาวนลูปและความซับซ้อนในการโปรไฟล์ความร้อน เป็นวิธีเดียวที่แข็งแรงในการผลิตปริมาณสำหรับชิ้นส่วนด้านล่างหนัก
3. กาวเป็นวิธีสุดท้าย: เฉพาะเมื่อคุณไม่สามารถใช้พาเลท (เนื่องจากพื้นที่ว่างหรืองบประมาณ) และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงการออกแบบได้ คุณควรมองไปที่การจ่าย Epoxy เข้าใจว่าคุณกำลังเพิ่มอัตราขยะและความยากในการทำงานซ้ำถาวร

อย่าไว้ใจความหวัง อย่าไว้ใจว่า “มันติดอยู่บนต้นแบบ” จงเชื่อในมวลของชิ้นส่วน พื้นที่ของแผ่นรอง และแรงโน้มถ่วงที่ไม่อาจปลี่ยนแปลงได้