เกราะ RF และข้อโต้แย้งต่อตัวนำ Vias ที่ปิดสนิท

เตาอบ reflow ทำงานตามโปรไฟล์ความร้อน แผ่นบอร์ดออกจากระยะไอระเหย และ RF shields นั่งอยู่บนบัดกรีอย่างสะอาด ตัวประกอบดูไร้ที่ติ อย่างไรก็ตาม สามสัปดาห์หลังจากทดสอบการทำงาน ปัญหาที่เป็นช่วงๆ ก็เริ่มปรากฏ เมื่อคุณถอด shield หลักฐานก็ชัดเจน: ลูกบัดกรีขนาดเล็กกระจายทั่วบอร์ด รอยเปื้อนความชื้นที่ติดอยู่ใน vias และในกรณีที่เลวร้ายที่สุดคือ สายบัดกรีที่ขวางทางเดินของเส้นลายวงจร

สาเหตุหลัก? การตัดสินใจด้านการออกแบบที่ดูอนุรักษ์นิยม ซึ่งเป็นแนวปฏิบัติทั่วไปที่นำมาใช้จากการออกแบบ PCB ทั่วไปโดยไม่พิจารณาสภาพแวดล้อมเฉพาะใต้ shield การตัดสินใจนั้นคือการ tenting vias

แม้ว่าการ tenting vias จะสมเหตุสมผลในหลายบริบท พื้นที่ปิดภายใต้ RF shield เปลี่ยนกระบวนการ reflow ให้กลายเป็นการทดลองในหม้อน้ำภายใต้แรงดัน อากาศที่ติดอยู่ ความระเหิดในแผ่นบัดกรี และผลิตภัณฑ์สลายตัวของเรซินอีพ็อกซี่ ล้วนแสวงหาเส้นทางหนีในเวลาที่อุณหภูมิพุ่งสูงขึ้น เมื่อถังโลหะถูกปิดสนิทกับบอร์ด เส้นทางเหล่านั้นก็มีไม่มาก ผลที่ตามมาคือความเสียหายจากการปล่อยก๊าซ การผิดปกติของลูกบัดกรี และความน่าเชื่อถือลดลง เราโต้แย้งว่าการ tenting vias ควรหลีกเลี่ยงโดยสิ้นเชิงใต้อุปกรณ์ RF shields และโดยรอบทันที การคัดค้านนี้ตั้งอยู่บนหลักฟิสิกส์ของกระบวนการ reflow และพฤติกรรมของวัสดุในแผ่นบัดกรีภายใต้ความเครียดทางความร้อน

การปฏิบัติทั่วไป การซ่อนระเบิด Reflow

การ tenting vias ซึ่งใช้บังบนรูของ via คาดหวังว่าจะปิดผนึก via จากด้านบน วิธีนี้เป็นวิธีที่สมเหตุสมผลในหลายการออกแบบ การปฏิบัตินี้ได้รับการบันทึกอย่างแพร่หลายในมาตรฐาน IPC และเป็นทางเลือกที่เชื่อถือได้มานานหลายทศวรรษ ในการใช้งานส่วนใหญ่ มันทำงานโดยไม่มีปัญหา

RF shields ทำลายโมเดลนี้ Shield เป็นโครงโลหะที่บัดกรีเข้ากับบอร์ดเพื่อสร้างเป็นแนวกันสนามแม่เหล็ก ในระหว่างกระบวนการ reflow โครงนี้กลายเป็นห้องที่กึ่งปิดผนึก ซึ่งแยกภายในออกจากอากาศในเตา ก๊าซใด ๆ ที่เกิดขึ้นด้านในจะถูกกักไว้ ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับสภาพแวดล้อมบนบอร์ดเปิด ที่ส่วนใหญ่ของส่วนประกอบอาศัยอยู่

กับดักถูกตั้งขึ้นโดยการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่ปิดนี้และวัสดุของบอร์ด แผ่นบัดกรี ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ที่ฐานจากอีพ็อกซี่ ดูดซึมความชื้นจากอากาศ เมื่อได้รับความร้อนเกินจุดเปลี่ยนแปลงของแก้ว วัสดุระเหิดที่ถูกกักไว้เหล่านี้จะขยายตัวและแสวงหาการปล่อย ในบอร์ดเปิด พวกมันจะปล่อยออกสู่อากาศในเตาได้ง่าย ในภายใต้ shield พวกมันจะถูกกักไว้ ซึ่งทำให้ vias ที่ถูก tent เป็นจุดอ่อน แผ่นฟิล์มของแผ่นบัดกรีบนผ่านรูมีความบางกว่าชิ้นส่วนรอบ ๆ และเมื่อความดันเพิ่มขึ้นจากการปล่อยก๊าซ ฟิล์มบางนี้อาจแตกหรือเป็นฟอง สิ่งที่ปรากฏออกมาไม่ใช่การปล่อยไอระเหยที่สะอาด แต่เป็นความเสียหายเฉพาะที่ที่บุกทะลุผ่านบัดกรีที่หลอมละลาย

สิ่งที่เกิดขึ้นภายใต้โล่

กระบวนการ reflow สำหรับบัดกรีไม่มีตะกั่วมักจะถึงจุดสูงสุดใกล้ 250°C ซึ่งสูงกว่าค่าอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงเป็นแก้วของแผ่นบังตากว่า 120-150°C เมื่อบอร์ดร้อนขึ้น แผ่นบังตา epoxy จะเปลี่ยนจากสถานะโปร่งแสงและแข็งเป็นแบบยางมากขึ้น ซึ่งช่วยให้ความชื้นที่ดูดซับไว้ระเหิดและเคลื่อนที่ไปมา สร้างแนวระดับแรงดันภายในที่พบจุดอ่อนที่สุด: แผ่นบังตาบาง over via.

กลไกการปล่อยก๊าซออก

การปล่อยก๊าซออกเป็นการปล่อยก๊าซที่รุนแรงออกจากวัสดุภายใต้ความร้อน ในช่วงเวลาระหว่าง 30 ถึง 90 วินาทีของช่วงเวลาที่แรงสุดในการ reflow แผ่นฟิล์มบางของแผ่นบัดกรีครอบคลุมรู via ซึ่งมักมีความหนาเพียง 15-25 ไมครอน ต้องรับมือกับความดันนี้ หากฟิล์มแตก ก๊าซจะหลบหนีอย่างรวดเร็วเข้าสู่สภาพแวดล้อมที่แผ่นบัดกรีหลอมละลายเต็มที่

ลำดับของแก๊สส่วนที่หลบหนีและผลิตภัณฑ์เสื่อมสภาพของอีพ็อกซี่นี้สร้างความปั่นป่วน ทำให้อนุภาคตะกั่วเล็ก ๆ ถูกพัดพาออกจากแผ่นฐานของพวกมัน ลูกตะกั่วนี้กระจัดกระจายไปทั่วภายในของอุปกรณ์ป้องกัน ด้วยการสร้างแนวเส้นที่อาจเกิดข้อบกพร่องขึ้นได้

วิธีการก่อตัวของลูกบัดกรีและเหตุผลที่มันสำคัญ

ลูกบัดกรีเป็นทรงกลมขนาดเล็กของโลหะผสมที่เกิดขึ้นเมื่อบัดกรีที่ละลายแล้วถูกเบี่ยงเบนและแข็งตัวในลักษณะเดียวกัน โจมตีแก๊สจากท่อรั่วจาก via เป็นตัวปล่อยหยดเหล่านี้ ซึ่งโดยธรรมชาติจะกลายเป็นทรงกลมเนื่องจากแรงตึงผิว เมื่อกระดานเย็นตัวลง พวกมันจะกลายเป็นของแข็งทุกที่ที่พวกมันตกลงมา

ความเสี่ยงทางไฟฟ้าเป็นเรื่องตรงไปตรงมา ลูกบอลนำไฟฟาสามารถเชื่อมต่อสองเส้นทาง ทำให้เกิดการลัดวงจรได้ แม้จะไม่ทำให้เกิดความล้มเหลวทันที ลูกบอลบัดกรีที่หลวมเป็นระเบิดเวลาความน่าเชื่อถือ; การสั่นสะเทือนหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสามารถกระตุ้นให้มันหลุด ทำให้เกิดการลัดวงจรในภายหลังในช่วงชีวิตของผลิตภัณฑ์ สำหรับการใช้งานที่ต้องความน่าเชื่อถือสูงในยานยนต์ ด้านการแพทย์ หรืออวกาศ เพียงแค่มีลูกบอลบัดกรีก็เป็นเกณฑ์สำหรับการปฏิเสธแล้ว

ความเสี่ยงด้านกลไกล้ำซับซ้อนกว่า ลูกบอลบัดกรีที่ติดอยู่ใต้เกราะสามารถป้องกันไม่ให้มันนั่งสนิทกับแผ่นวงจร ส่งผลต่อประสิทธิภาพการป้องกัน ในกรณีขั้นรุนแรง ลูกบอลที่อยู่ระหว่างเกราะและส่วนประกอบอาจสร้างแรงกดดันทางกล ทำให้ส่วนประกอบแตกร้าวหรือเกิดความเมื่อยล้าของการเชื่อมต่อบัดกรี การซ่อมแผงวงจรเพื่อเอาเกราะออกใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง มักต้องใช้วงจรการหลอมแบบเต็มและเสี่ยงต่อความเสียหายต่อตัวแผงและเกราะเอง

ผ่านการรักษาที่อยู่รอดได้ในกระบวนการ Reflow

วิธีแก้ปัญหาคือการตัดฟิล์มมาสก์บัดกรีบาง ๆ ออกจากผ่านและสร้างทางควบคุมสำหรับการปล่อยก๊าซออกจากผลิตภัณฑ์ วิธีหลักสามทางสำหรับผ่านใต้เกราะ RF

ผ่านแบบเปิด: ตัวเลือกที่ง่ายที่สุดคือปล่อยให้ผ่านเปิดอยู่ โดยไม่มีฟิล์มบัดกรีคลุมทางเข้า ซึ่งสร้างเส้นทางสำหรับการระบายอากาศที่ชัดเจนสำหรับความชื้นหรือสารระเหยในแผ่นโมดูล ทำให้ป้องกันการสะสมแรงดัน ความกังวลหลักกับผ่านแบบเปิด - การดูดซับบัดกรีเข้าไปในท่อจะเป็นปัญหาได้น้อยมากภายใต้เกราะ เนื่องจากแผ่นปิดยึดจับของเกราะมีขนาดใหญ่และไม่ค่อยอยู่ใกล้กับส่วนประกอบแบบพิกัดละเอียด นี่คือทางเลือกที่ต้นทุนต่ำที่สุดและตรงที่สุด

ผ่านแบบเต็ม: ในที่นี่ ท่อผ่านถูกเติมด้วยอีพ็อกซี่ที่ไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ จากนั้นทำให้เรียบเนียนและแผ่นชุบเคลือบ วิธีนี้ช่วยกำจัดช่องว่างที่สะสมความชื้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ควบคุมการปล่อยก๊าซขอ งผ่านอย่างมีประสิทธิผล ผ่านแบบเต็มมีค่ามากกว่ามากและมักสงวนไว้สำหรับการออกแบบผ่านในแป้นที่ส่วนประกอบต้องนั่งอยู่ตรงกลางของผ่าน แม้จะมีประสิทธิภาพ แต่มักเป็นการสิ้นเปลืองเกินไปสำหรับบริเวณใต้เกราะ

ผ่านแบบอุด: เป็นทางกลาง รากฐานของผ่านแบบอุดคือการเติมด้วยฟิล์มบัดกรีหรือรีซินยูนิตที่นั่งอยู่ใต้ผิวหน้าระดับเดียวกัน ตัวอุดช่วยป้องกันบัดกรีดูดซับแต่ไม่สร้างซีลแบบ hermetic ในขณะที่มีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าผ่านแบบเต็ม ช่วยให้อยู่นอกเหนือการระบายอากาศในแอปพลิเคชันนี้เนื่องจากวัตถุประสงค์หลักคือการระบายอากาศ ไม่ใช่ซีล

แนวทางที่เกี่ยวข้องและมีต้นทุนต่ำกว่าคือ via-near-pad. โดยการวางผ่านแบบเปิดนอกเหนือขอบของแผ่นยึดเกราะ — คงระยะห่างอย่างน้อย 0.2 มม. จากการวางแปะซิลิโคนบัดกรี — คุณจะได้รับการเชื่อมต่อไฟฟ้าที่จำเป็นโดยไม่มีความเสี่ยงที่จะดูดซับหรือค่าฟิล์มเต็ม

ออกแบบสำหรับการรีเวิร์ค

การหลีกเลี่ยงผ่านแบบ tented เป็นขั้นตอนแรก ขั้นตอนต่อไปคือการออกแบบให้สอดคล้องกับความเป็นจริงที่ว่าการเกราะมักจะต้องถูกถอดออกเพื่อการดีบัก ซ่อมแซม หรืออัปเกรด

รูเปิดฟิล์มบัดกรีรอบขอบเกราะควรมีขนาดพอเหมาะเพื่อให้สามารถเข้าถึงเครื่องมือซ่อมแซมได้ วิธีทั่วไปคือการกำหนดรูเปิดยื่นออกไปอีก 0.1 ถึง 0.15 มม. นอกขอบของแผ่นยึดเกราะ ซึ่งให้คู่มือแสดงและรับรองว่าสามารถเข้าถึงการเชื่อมต่อบัดกรีทั้งหมด หากรูเปิดแน่นเกินไป แผงบอกความร้อนจะทำให้การซ่อมแซมเป็นเรื่องยาก หากเปิดกว้างเกินไป ก็จะเปิดโอกาสให้เส้นลวดของเส้นทางใกล้เคียงรับความเสียหายได้

สมมติจากจุดเริ่มต้นว่าการป้องกันจะถูกถอดออก ออกแบบแผ่นยึดในแนวทางที่มีความสามารถในการรับความร้อนและช่องว่างในแผ่นยึดให้เพียงพอเพื่อให้สามารถผ่านวงจรแก้ไขใหม่หลายรอบโดยไม่หลุด ซึ่งหมายความว่าใช้แผ่นยึดที่มีขนาดใหญ่กว่าที่ต้องการขั้นต่ำสำหรับการยึดและบันทึกขั้นตอนการแก้ไขที่ถูกต้อง รวมถึงอุณหภูมิของเครื่องมือและเวลาที่พัก

กลยุทธ์จุดทดสอบเมื่อ Shield บล็อกการเข้าถึง

แผ่นเกราะ RF เป็นผนังที่บล็อคการเข้าถึงแบบตรงของเครื่องมือวัดไปยังสัญญาณภายใน จุดทดสอบที่สำคัญจะต้องย้ายออกไปนอกเขตปกป้องของแผ่นเกราะในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ

สำหรับเครือข่ายไฟและกราวด์ เรื่องนี้ง่าย เนื่องจากสามารถเข้าถึงได้จากที่อื่นบนแผ่น สำหรับสัญญาณ RF หรือสัญญาณความเร็วสูงที่ละเอียดอ่อน วิธีแก้ปัญหามักเป็นแผ่นทดลองแบบ AC-coupled เล็ก ๆ ที่ตั้งอยู่นอกกำแพงแผ่นเกราะ นี่ช่วยให้สามารถทดสอบได้โดยไม่ทำลายความสมบูรณ์ของการป้องกัน แม้จะต้องคำนึงถึงความจูงประจุแบบ parasitic ที่มีขนาดเล็กในระหว่างการออกแบบ

แยกแยะระหว่างการเย็บจุด via กับ via สำหรับการทดสอบ ตารางที่หนาของ via ย่อยในแผ่นเกราะเป็นสำหรับการกราวด์ ไม่ใช่สำหรับการทดสอบ หากคุณต้องการตรวจสอบการเชื่อมต่อกราวด์ ให้เพิ่ม via สำหรับการทดสอบที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางใหญ่ขึ้นใกล้ขอบเขต ซึ่งถูกเครื่องหมายชัดเจนบนแผ่นซิลค์สกรีน

แก้ไขการออกแบบเดิม

หากคุณกำลังเผชิญปัญหาออกก๊าซในบอร์ดที่ออกแบบด้วย via tented การเลือกที่ดีที่สุดคือการแก้ไขระดับ Gerber โดยขอให้โรงงานผลิตลบแผ่นเซลล์สกรีนในบริเวณที่มีปัญหา ถ้าบอร์ดสร้างเสร็จแล้ว การอบก่อนการประกอบที่อุณหภูมิ 120°C เป็นเวลาหลายชั่วโมงสามารถขจัดความชื้นบางส่วนและลดความรุนแรงของการออกก๊าซ อย่างไรก็ตาม ไม่มีขั้นตอนปรับเปลี่ยนใด ๆ ที่สามารถแทนที่การออกแบบบอร์ดให้ถูกต้องตั้งแต่ต้น