ตำนาน “260°C”: ทำไมตัวเชื่อมต่ออุณหภูมิสูงถึงล้มเหลวในกระบวนการรีโฟลว์

ตัวเลขที่มีราคาสูงที่สุดในแผ่นข้อมูลตัวเชื่อมต่อมักจะเป็นค่าการจัดอันดับอุณหภูมิ คุณจะเห็น “260°C เป็นเวลา 10 วินาที” และสมมติว่าปลอดภัย ซึ่งบ่งชี้ว่าหากโปรไฟล์การรีโฟลว์ของคุณสูงสุดที่ 245°C คุณมีพื้นที่เฮดรูมสิบห้าองศา

นั่นคือเรื่องแต่งที่อันตราย ค่าการจัดอันดับนั้นรับประกันเพียงว่า พลาสติกจะไม่กลายเป็นแอ่งของเหลวบนสายพาน มันไม่ได้สัญญาว่าตัวเรือนจะยังคงแบนพอที่จะบัดกรีได้อย่างถูกต้อง และไม่ได้คำนึงถึงการดึงร้อนแรงที่รุนแรงระหว่างตัวเชื่อมต่อกับแผงวงจรของคุณ

เมื่อขั้วต่อเสียหายในสนามจริง หรือแย่กว่านั้น ในตอนท้ายของสายการผลิตระหว่างการทดสอบวงจร มักไม่ใช่เพราะพลาสติกละลาย แต่เป็นเพราะตัวเรือนบิดงอ โค้ง หรือบิดตัวพอที่จะยกขาออกจากแผ่นบัดกรี ในโลกอุตสาหกรรมที่มีการผสมผสานสูง เรามักเห็นสิ่งนี้: ขั้วต่อที่ดูสมบูรณ์แบบทดสอบเป็น “เปิด” เพราะขากลางลอยอยู่เหนือแป้งบัดกรีสิบไมครอน อุปกรณ์ไม่ได้ละลาย แต่ล้มเหลวในฟิสิกส์ของกระบวนการประกอบ การเข้าใจสาเหตุต้องละเลยจุดขายทางการตลาดและดูที่กลศาสตร์ความร้อนของวัสดุที่เกี่ยวข้อง

ฟิสิกส์ของบอร์ด “กล้วย”

การรีโฟลว์ไม่ใช่แค่กระบวนการให้ความร้อน แต่เป็นเหตุการณ์เชิงกลไดนามิก เมื่อแผงวงจรเข้าสู่อบ แผ่นรอง FR4 เริ่มขยายตัว เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นสู่ช่วงของการหลอมเหลวของตะกั่ว SAC305 (ประมาณ 217°C) บอร์ดจะขยายตัวในแกน X และ Y ตัวเชื่อมต่อที่วางอยู่ด้านบนก็ขยายตัวเช่นกัน แต่แน่นอนว่าในอัตราที่แตกต่างกัน

นี่คือความไม่ตรงกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) หากตัวเชื่อมต่อยาว—เช่น หัวต่อ 100 ขา หรือขั้วต่อขอบ PCIe ความแตกต่างในการขยายตัวระหว่างตัวเรือนพลาสติกกับแผงไฟเบอร์กลาสจะสร้างความเครียดเฉือนอย่างมากบนข้อต่อบัดกรีก่อนที่มันจะแข็งตัว

ความเครียดนี้แสดงออกในเอฟเฟกต์ “กล้วย” หากบอร์ดบาง (0.8 มม. หรือ 1.0 มม.) และตัวเชื่อมต่อแข็ง บอร์ดจะโค้งเพื่อรองรับการที่ตัวเชื่อมต่อไม่ยอมขยายตัว ในทางกลับกัน หากบอร์ดหนาและตัวเรือนตัวเชื่อมต่อทำจากพลาสติกที่มีความเสถียรน้อยกว่า ตัวเรือนจะโค้งขึ้นตรงกลาง ยกขาสัญญาณขึ้น

นี่คือสาเหตุหลักของข้อบกพร่อง “Head-in-Pillow” ที่น่ากลัว ลูกบัดกรีละลายและขาร้อน แต่ไม่เคยรวมกันเป็นฟิลเลตเดียวเพราะถูกแยกทางกายภาพในช่วงเปียกสำคัญ คุณสามารถจ้องดูเอ็กซ์เรย์ทั้งวันโทษรูสเตนซิล แต่ถ้าตัวเรือนพลาสติกยกขาขึ้น 0.15 มม. ในช่วงโซนแช่ ไม่มีการปรับแต่งแป้งบัดกรีใดจะซ่อมข้อต่อได้

ตัวแปรที่มองไม่เห็น: ความชื้น

แม้ว่าคุณจะจับคู่ CTE ได้อย่างสมบูรณ์ ตัวแปรเงียบก็ยังสามารถทำลายความเรียบของพื้นผิวได้: น้ำ พลาสติกวิศวกรรมเช่นไนลอน (PA66, PA46) และโพลีฟทาแลไมด์ (PPA) มีคุณสมบัติชอบดูดซับน้ำ หากถุงขั้วต่อถูกเปิดทิ้งไว้ในโกดังที่มีความชื้นเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ ตัวเรือนเหล่านั้นจะดูดซับความชื้นจากอากาศ

เมื่อความชื้นนั้นสัมผัสกับจุดสูงสุดที่ 240°C ของเตารีโฟลว์แบบไร้ตะกั่ว น้ำภายในพลาสติกไม่ได้แค่ระเหย; มันกลายเป็นไอน้ำทันที ความดันภายในนี้พยายามหาทางออก ทำให้เกิดการระเบิดเล็ก ๆ ภายในโพลิเมอร์แมทริกซ์

ในกรณีรุนแรง จะปรากฏเป็นฟองอากาศหรือ "ป๊อปคอร์น" ที่มองเห็นได้บนพื้นผิว แต่ความล้มเหลวที่แอบแฝงมากกว่าคือการบิดงอเล็กน้อยที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ความดันไอน้ำทำให้พื้นผิวที่นั่งแบนของตัวเชื่อมต่อบิดเบี้ยวเพียงพอที่จะทำลายข้อกำหนดความเรียบ

นี่คือเหตุผลที่การปฏิบัติตามระดับความไวต่อความชื้น IPC/JEDEC J-STD-020 (MSL) ไม่ใช่เรื่องเลือกได้สำหรับตัวเชื่อมต่อ หากคุณใช้ชิ้นส่วนที่ทำจากไนลอนหรือ PPA จะต้องอบหากเกินเวลาชีวิตบนพื้น หลายโรงงานประกอบข้ามขั้นตอนนี้สำหรับตัวเชื่อมต่อ โดยสมมติว่าการจัดอันดับ MSL ใช้กับชิป BGA เท่านั้น ซึ่งพวกเขาคิดผิด และสมมติฐานนั้นนำไปสู่การสูญเสียผลผลิตแบบ "ลึกลับ" ที่หายไปทันทีที่โหลดรีลใหม่และแห้ง

ลำดับชั้นของวัสดุ

ความน่าเชื่อถือสุดท้ายขึ้นอยู่กับเรซิน พลาสติก "อุณหภูมิสูง" ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเท่ากันทั้งหมด และนี่คือจุดที่แผ่นข้อมูลมักซ่อนความจริง ตลาดเต็มไปด้วยไนลอน "ดัดแปลง" หรือ "เติมแก้ว" ที่อ้างว่ามีความต้านทานความร้อนสูง แม้ว่าพวกมันอาจรอดเตาโดยไม่ละลาย อุณหภูมิการเปลี่ยนแก้ว (Tg) — จุดที่วัสดุเปลี่ยนจากของแข็งแข็งเป็นสถานะยางนุ่ม — อาจใกล้เคียงกับอุณหภูมิการทำงานหรือรีโฟลว์ของคุณอย่างอันตราย

โพลีคริสตัลไลน์โพลิเมอร์ (LCP) เป็นมาตรฐานทองคำด้วยเหตุผล มันมีอัตราการดูดซึมความชื้นต่ำโดยธรรมชาติ และที่สำคัญกว่านั้น มีค่า CTE ใกล้เคียงกับทองแดงและ FR4 มันยังคงแข็งและเรียบตลอดช่วงจุดสูงสุดของรีโฟลว์ หากคุณออกแบบเส้นทางสัญญาณที่สำคัญหรือตัวเชื่อมต่อที่มีระยะพิทช์ละเอียด (ต่ำกว่า 0.8 มม.) LCP มักเป็นตัวเลือกที่รับผิดชอบเพียงอย่างเดียว

โพลีฟทาแลไมด์ (PPA) เป็นทางเลือก "งบประมาณ" ที่พบได้ทั่วไป มันเป็นไนลอนอุณหภูมิสูงที่ทำงานได้ดี ถ้า มันแห้ง อย่างไรก็ตาม ความเสถียรเชิงมิตินั้นด้อยกว่า LCP และพึ่งพาการเติมแก้วเพื่อความแข็งแรง มันเหมาะสำหรับหัวต่อพลังงานหรือชิ้นส่วนที่มีระยะพิทช์ใหญ่กว่า แต่เพิ่มความเสี่ยงในแอปพลิเคชันที่มีระยะพิทช์ละเอียด

ไนลอน 46 / 6T: นี่คือไนลอนอุณหภูมิสูงรุ่นเก่า พวกมันแข็งแรงและราคาถูกแต่ดูดซับความชื้นเหมือนฟองน้ำ คุณจะเห็นพวกมันในตัวเชื่อมต่อโคลนทั่วไปหลายตัว พวกมันมักพึ่งพา "หมายเหตุ 3" ในแผ่นข้อมูล — ข้อจำกัดตัวพิมพ์เล็กเกี่ยวกับจำนวนรอบรีโฟลว์ที่ทนได้ ระวังตัวแปร "ชีวภาพ" ของพลาสติกเหล่านี้ที่เข้าสู่ตลาด; แม้จะยั่งยืน แต่ข้อมูลระยะยาวเกี่ยวกับความเสถียรในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่รุนแรง (ช็อกความร้อน) ยังอยู่ระหว่างการศึกษา

ความแตกต่างของราคาระหว่างหัวต่อไนลอนทั่วไปกับเวอร์ชัน LCP อาจเป็นเพียงเศษสตางค์ แต่คุณต้องชั่งน้ำหนักกับต้นทุนของคุณภาพต่ำ (COPQ) หากหัวต่อไนลอนบิดงอและทำให้เกิดอัตราการเสียหาย 2% บนบอร์ด $500 เศษสตางค์ที่ประหยัดใน BOM นั้นทำให้คุณเสียเงินหลายพันบาทในค่าเศษและแรงงานซ่อมแซม

การป้องกันเชิงกล

คุณไม่สามารถพึ่งพาการเชื่อมบัดกรีเพียงอย่างเดียวเพื่อต้านทานแรงกลไก หากตัวเชื่อมต่อสูงหรือหนัก แรงทอนที่มันออกบนแผ่นบัดกรีในระหว่างการสั่นสะเทือนหรือการขยายตัวจากความร้อนนั้นมหาศาล ตัวเชื่อมต่อ SMT ที่ยึดด้วยขาสัญญาณเพียงอย่างเดียวเป็นความเสี่ยงในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม คุณต้องมีการยึดด้วยกลไก — แท็บโลหะหรือหมุดพลาสติกที่ยึดตัวเรือนกับ PCB

สิ่งนี้เป็นจริงโดยเฉพาะถ้าคุณพยายามใช้กระบวนการ Pin-in-Paste (รีโฟลว์แบบแทรกซึม) ซึ่งตัวเชื่อมต่อแบบรูทะลุถูกรีโฟลว์ การคำนวณปริมาณพาสต์ที่นี่มีความสำคัญ แต่ความมั่นคงทางกลของตัวเรือนในระหว่างการผ่านเตานั้นสำคัญยิ่งกว่า หากตัวเชื่อมต่อเคลื่อนลอยหรือเอียงเพราะขาดการยึด คุณจะได้ชิ้นส่วนที่บิดเบี้ยวและไม่สามารถประกอบเข้ากันได้

สำหรับชิ้นส่วนแบบติดตั้งบนพื้นผิวเท่านั้น ให้แน่ใจว่าการออกแบบสเตนซิลของคุณคำนึงถึง "การลอย" ของชิ้นส่วน บางครั้ง การลดขนาดช่องเปิดบนแผ่นรองกลางของตัวเชื่อมต่อขนาดใหญ่สามารถป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนโยกบนเบาะของตะกั่วหลอมละลาย ทำให้แผ่นรองด้านนอกนั่งแน่น

การคำนวณขั้นสุดท้าย

เป้าหมายของการเลือกตัวเชื่อมต่อไม่ใช่การหาชิ้นส่วนที่ถูกที่สุดที่พอดีกับรูปแบบเท้า แต่เป็นการหาชิ้นส่วนที่สามารถทนต่อฟิสิกส์ที่โหดร้ายของการผลิตและการใช้งานในสนามระยะยาว การให้คะแนนในแผ่นข้อมูลที่ 260°C เป็นจุดเริ่มต้น ไม่ใช่การรับประกัน

เมื่อคุณเลือกชิ้นส่วน ให้ดูที่องค์ประกอบวัสดุ ขอข้อมูลเรซิน หากผู้ขายไม่สามารถบอกคุณได้ว่าวัสดุเป็น LCP หรือ Nylon 6T ให้เดินออกไป ฟิสิกส์ของการขยายตัวทางความร้อนและการดูดซับความชื้นไม่สามารถเอาชนะได้ คุณสามารถเคารพสิ่งเหล่านี้โดยการเลือกวัสดุที่เสถียรและการออกแบบกลไกที่ถูกต้อง หรือคุณจะต้องจ่ายในภายหลังในห้องวิเคราะห์ความล้มเหลว