ต้นทุนแฝงของ 0402 Passives ในการสร้างแบบทนทาน

การผลักดันให้เกิดการทำให้ PCB มีขนาดเล็กลงทำให้passives 0402 กลายเป็นตัวเลือกพื้นฐานในหลายๆ แบบ การมีขนาดเล็กกว่ามีคำมั่นว่าจะทำให้เส้นทางเดินไฟแน่นหนาขึ้น ความหนาแน่นของส่วนประกอบสูงขึ้น และความสวยงามที่เรียบง่ายของบอร์ดที่มีขนาดกะทัดรัด สำหรับอิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคที่มุ่งหวังชีวิตเงียบสงบในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ การสะท้อนนี้สมเหตุสมผล การลดขนาดสามารถแปลตรงไปสู่การประหยัดในวัสดุและพื้นที่ได้โดยไม่ต้องเสียคุณภาพ

แต่ตรรกะนั้นล่มสลายในแอปพลิเคชันที่ทำงานหนัก

สำหรับรถยนต์นอกถนน ระบบราง และควบคุมอุตสาหกรรม — สภาพแวดล้อมใดก็ตามที่นิยามด้วยการสั่นสะเทือนต่อเนื่อง การเปลี่ยนร้อนอย่างรวดเร็ว และความต้องการบริการภาคสนาม — passive ขนาดเล็ก 0402 นำเสนอโหมดความล้มเหลวที่เงียบๆ ลบล้างการประหยัดเบื้องต้น Tombstoning ในระหว่างการประกอบ การเหนื่อยล้าของการเชื่อมต่อบ่อยในการสั่นสะเทือน และเศรษฐศาสตร์ของการซ่อมใหม่ที่โหดร้าย ล้วนเป็นเหตุผลให้ใช้ footprint ขนาดใหญ่กว่า 0603 ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง การหดตัวของขนาดต้องถูกท้าทาย

ความร้อนในตัวส่งผลต่อการล้มของโลงศพอย่างไร

Tombstoning คือสิ่งที่เราฟังดูเป็นชื่อ: ส่วนประกอบแบบพาสซีฟตั้งตรงบนแผ่นเดียวกันหลังจากการ reflow ซึ่งไร้ประโยชน์ มันเป็นวงจรเปิดที่สามารถหลบการตรวจสอบด้วยสายตาได้ง่าย สาเหตุหลักคือความต่างในการอัตราการให้ความร้อนในระหว่างการ reflow ซึ่งเป็นกระบวนการทางกายภาพที่ยิ่งกว่าร้ายแรงขึ้นเมื่อมวลของส่วนประกอบลดลง

ในระหว่างการ Reflow, ดินประสานบนแต่ละแผ่นรองจะหลอมเหลว โดยสร้างแรงบนพื้นผิวบนชิ้นส่วน แรงเหล่านี้โดยปกติจะสมดุลกัน ทำให้ชิ้นส่วนแบนราบ แต่ถ้าแผ่นรองหนึ่งร้อนเร็วกว่ากัน ดินประสานของมันจะหลอมก่อน создают unbalanced pull บนชิ้นส่วนแรงขับหมุนนี้สามารถพลิกชิ้นส่วนให้ตั้งตรงได้ถ้ามันแข็งแรงพอที่จะเอาชนะ inertia ของชิ้นส่วน ใน passive 0402 ซึ่งมีน้ำหนักน้อยกว่ามิลลิกรัม มันมักจะเป็นเช่นนั้น

กลไกของความร้อนที่ไม่เสมอกัน

มวลความร้อนของชิ้นส่วน แผ่นรอง และทองแดงรอบข้างทั้งหมดโต้ตอบกันในระหว่างการเพิ่มอุณหภูมิของ reflow หากแผ่นรองหนึ่งเชื่อมต่อกับทองแดงจำนวนมากหรือแผ่นดิน แผ่นนั้นจะทำหน้าที่เป็น sink ความร้อน ชะลอการขึ้นอุณหภูมิของดินประสานด้านตรงกันข้าม อาจเชื่อมต่อกับร่องที่บางและแยกความร้อนก็ร้อนขึ้นเร็วมาก ดินประสานบนแผ่นรองที่ร้อนที่สุดจะหลอมเหลวเป็นอันดับแรก ชื้นชิ้นส่วนและดึงพลังเต็มที่ในขณะที่ปลายอีกด้านยังคง anchored อยู่ใน paste ที่แข็ง

ความต่างของอุณหภูมินี้มีอยู่ในทุกการออกแบบ แต่ผลของมันขึ้นอยู่กับความต้านทานของชิ้นส่วนต่อการหมุน ชิ้นส่วน 0603 ขนาดใหญ่กว่ามี inertia มากกว่าและต้านแรงบิดได้ ชิ้นส่วน 0402 ที่มีมวลน้อยไม่เป็นเช่นนั้น เมื่อใช้การ increase อุณหภูมิอย่างรวดเร็วเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของ cycle หรือเมื่อบอร์ดมีความไม่สมดุลของความร้อนโดยหลีกเลี่ยงไม่ได้, 0402 จะกลายเป็นตัวเลือกหลักสำหรับ tombstoning

ความเสี่ยงทางโครงสร้าง

ฐานราก 0402 มีขนาดเล็กมาก—ประมาณหนึ่งมิลลิเมตรคูณครึ่งมิลลิเมตร การเชื่อมต่อของมันครอบคลุมพื้นที่สัมผัสขนาดเล็กมาก ถึงแม้แรงเล็กน้อยก็สร้างโมเมนต์การหมุนที่สำคัญ เพราะแขนคาสั้นและมวลที่ช่วยรักษาสภาพเกือบจะไม่มีอยู่จริง คอมโพเนนต์ 0603 มีขนาดใหญ่กว่า 50% แต่มวลของมันมีขนาดมากกว่ามาก เนื่องจากปริมาตรมีการสเกลเป็นยกกำลังสาม แม้ว่าจะไม่ทนต่อความแตกต่างของอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม ความไม่สมดุลของความร้อนที่จำเป็นในการพลิกคอมโพเนนต์ 0603 มีความสูงมาก

การออกแบบแผ่นและปริมาณแปะทองสามารถลดความเสี่ยงได้ แผ่นด้านไม่สมมาตรหรือกำแพงหมึกป้องกันทองสามารถช่วยได้ แต่สิ่งเหล่านี้เพิ่มความซับซ้อนในการออกแบบและความไวของกระบวนการ พวกเขาไม่สามารถกำจัดความอ่อนแอพื้นฐานของมวลต่ำได้ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่แข็งแรงซึ่งอาจพบรอบการไหลของความร้อนหลายรอบในระหว่างการแก้ไขหรือประกอบในสภาพที่ไม่สมบูรณ์มากนัก ส่วนเผื่อผิดพลาดนี้เป็นสิ่งสำคัญ 0603 ให้ความมั่นใจด้วยทฤษฎีทางฟิสิกส์เท่านั้น

ความล้มเหลวของการเชื่อมต่อบ่อยจากการสั่นสะเทือน

การสั่นสะเทือนเป็นแรงกดดันกลศาสตร์ที่ไม่หยุดหย่อน ต่างจากเหตุการณ์แรงกระแทกเดี่ยว การสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องจะทำให้เกิดการโค้งงอบนฟิลเลตของบัดกรีซ้ำๆ แต่ละการโค้งอาจเป็นจุดเริ่มต้นของรอยร้าวขนาดจิ๋วที่จุดที่บัดกรีเชื่อมต่อกับอุปกรณ์หรือตุ่ม บนวงจรนับล้านรอบ รอยร้าวเหล่านี้จะแพร่กระจายจนกว่าจะเกิดการล้มเหลวของข้อต่อ อัตราการล้มเหลวเป็นฟังก์ชันของความเครียด และสำหรับการประกอบ SMT ปริมาณชิ้นส่วนและพื้นที่เชื่อมต่อเป็นสิ่งที่ควบคุมความเครียดนั้น

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอุปกรณ์นอกเส้นทางที่ต้องทนต่อการสั่นสะเทือนแบบกว้าง ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณรบกวนจากพื้นผิวเทร็กต์หรือระบบรางที่ส่งผ่านการสั่นสะเทือนความถี่ต่ำอย่างมีประสิทธิภาพไปยัง PCBs ในทั้งสองกรณี แผงวงจรจะโค้งงอ และข้อต่อบัดกรีจะต้องดูดซับความเครียดนั้น ฟิลเลตแบบพาสซีฟ 0402 ที่มีมวลน้อยและฟิลเลตบัดกรีจิ๋วนั้น เน้นความเครียดนี้ไปยังลิงค์กลไกที่เปราะบาง

ฟิสิกส์ของแรงสั่นสะเทือนเรโซแนนท์

เมื่อแผงวงจรพิมพ์สั่นสะเทือน แรง inertial ต่ออุปกรณ์คือผลคูณของมวลและความเร่ง ซึ่งแรงนี้กลายเป็นความเครียดแบบเลือนในข้อต่อบัดกรี อาจคาดเดาว่าอุปกรณ์ที่เบากว่าจะมีแรงน้อยกว่า แต่ความสัมพันธ์ไม่ใช่เช่นนั้น โดยอุปกรณ์ที่มีมวลสองเท่าแต่พื้นที่เชื่อมต่อมากกว่าสองเท่าจะได้รับประสบการณ์ ต่ำกว่า ความเครียดต่อหน่วยพื้นที่ของบัดกรี

ตรงนี้ ฟิลเลต 0402 เสนออัตราส่วนที่ไม่เอื้ออำนวย มวลของมันน้อยมาก แต่พื้นที่ข้อต่อบัดกรีมีขนาดเล็กกว่ามากอย่างไม่สมส่วน ซึ่งเน้นความเครียดนี้ โครงสร้างของฟิลเลตบัดกรีจิ๋วก็ขาดรูปร่าง—เช่นโปรไฟล์เรือนยอดเว้าของข้อต่อขนาดใหญ่—ที่ช่วยกระจายภาระโหลด ข้อต่อกลายเป็นเปราะบางและเสี่ยงต่อการแตกร้าวตรงบริเวณชั้นโลหะผสมกัน

มวลและพื้นที่พื้นผิวเป็นปัจจัยป้องกัน

อุปกรณ์ขนาด 0603 ให้การปรับปรุงที่มีความหมาย มันมีมวลประมาณสามถึงสี่เท่าของ 0402 ในขณะที่พื้นที่บอร์ดประมาณสองเท่า การรวมกันนี้ช่วยลดความเข้มข้นของแรงกดดันอย่างมากและเพิ่มอายุการใช้งานของการเชื่อมต่อ การทดสอบความน่าเชื่อถือตามมาตรฐานเช่น MIL-STD-810 มักเปิดเผยว่าการประกอบ 0402 ล้มเหลวในอัตราที่สูงกว่ามากเมื่อเทียบกับการประกอบ 0603 ภายใต้โปรไฟล์การสั่นสะเทือนเดียวกัน

ในอุปกรณ์ผู้บริโภคที่มีอายุการใช้งานสองปี การแตกต่างอาจเป็นเรื่องเล็กน้อย แต่ในตัวควบคุมอุตสาหกรรมที่คาดว่าจะอยู่รอดได้ในทศวรรษของการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง พื้นที่พื้นของ 0603 ไม่ใช่ความหรูหรา แต่เป็นความจำเป็นเชิงโครงสร้าง ข้อต่อบัดกรีเป็นจุดยึดของอุปกรณ์ และขนาดของมันกำหนดว่ามันจะยังคงแน่นหนาหรือกลายเป็นความผิดปกซ่อนเร้นที่รอการแสดงออกในสนาม

กราฟต้นทุนการซ่อมใหม่

ไม่มี กระบวนการผลิตใดที่สมบูรณ์แบบ ร้อยละหนึ่งของแผงวงจรจะต้องมีการซ่อมแซมเสมอ โดยเฉพาะในโลกของอีเล็กทรอนิกส์แบบกำหนดเองและจำนวนต่ำ การเจ็บปวดทางเศรษฐกิจของการซ่อมนั้นไม่เป็นเชิงเส้นกับขนาดของอุปกรณ์ มันตามเส้นทางที่ชัน และ 0402 อยู่ที่ปลายที่เจ็บปวดที่สุด

การบัดกรีด้วยมือของอุปกรณ์ 0402 ต้องใช้การขยายภาพ มือที่มั่นคง และการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ พื้นที่บนพ็อดต์ใกล้กันมากจนสะพานบัดกรีเป็นความเสี่ยงที่เกิดขึ้นอยู่เสมอ มวลความร้อนต่ำของอุปกรณ์หมายความว่า การไม่ระวังในขณะใช้งาหลอมบัดกรีสามารถทำลายหรือทำให้แผ่นลอกออกจากบอร์ดได้ ช่างที่มีประสบการณ์สามารถทำได้ แต่ช้ามากและมักเกิดข้อผิดพลาด ผู้ไม่มีประสบการณ์มักจะเปลี่ยนการซ่อมแซมง่ายๆ เป็นแผงวงจรที่ถูกทิ้ง

เวลา ความยากลำบาก และอัตราการชำรุด

การปรับปรุงใหม่ของชิ้นส่วนแบบพาสซีฟ 0402 โดยทั่วไปใช้เวลาสองถึงสี่เท่าของการทำงานของ 0603 งานนี้ต้องใช้เครื่องมือที่ละเอียดกว่า อุณหภูมิต่ำกว่า และบ่อยครั้งที่ต้องใช้แท่นเป่าลมร้อน ทุกนาทีของแรงงานเพิ่มเติมเป็นต้นทุนโดยตรง ในกรณีบริการภาคสนาม ค่าการทำงานนั้นจะถูกคูณด้วยเวลาการเดินทางและเวลาที่อุปกรณ์หยุดทำงาน 0603 เมื่อเปรียบเทียบแล้ว จัดการได้ง่ายด้วยเครื่องมือมาตรฐาน มีขนาดและมวลความร้อนที่เข้าใจได้ ซึ่งช่วยลดเวลาในการทำซ้ำและเพิ่มอัตราความสำเร็จในครั้งแรก

ความยากลำบากนี้ส่งผลโดยตรงต่อผลผลิต การตะกั่วและข้อผิดพลาดในการวางตำแหน่งลดเปอร์เซ็นต์ของบอร์ดที่ผ่านการตรวจสอบโดยไม่ต้องทำซ้ำ เมื่อการทำซ้ำเองก็เสี่ยงต่อความล้มเหลว อัตราการสูญเสียจึงเพิ่มขึ้น ผลต่างของต้นทุนสะสมในแต่ละบอร์ดที่ต้องทำการแก้ไข โดยเพิ่มขึ้น 2% ในอัตราสูญเสียบนการผลิต 1,000 บอร์ด แต่ละบอร์ดมีต้นทุน $50 เป็นค่าปรับ $1,000 เมื่อรวมแรงงานเพิ่มเติมในการทำซ้ำแล้ว ต้นทุนเหล่านี้ก็จะท่วมทับการประหยัดจาก BOM อย่างรวดเร็ว

ต้นทุนรวมของการเป็นเจ้าของ: การคำนวณที่แท้จริง

ต้นทุนบิลวัตถุดิบ (BOM) สำหรับชิ้นส่วน 0402 ต่ำกว่าชิ้นส่วน 0603 เล็กน้อยในสัดส่วนของเซนต์ สำหรับบอร์ดที่มี passive หลายร้อยชิ้น อาจรวมเป็นบางดอลลาร์ แต่ในงานที่ต้องการความทนทานสูง ต้นทุน BOM มักเป็นรายการต้นทุนที่น้อยที่สุดในภาพรวมของต้นทุนครอบคลุม

ต้นทุนรวมประกอบด้วย การสูญเสียผลผลิตจากการประกอบ การทำซ้ำในสายการผลิต ความล้มเหลวในพื้นที่ และการรับประกัน สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ตั้งเป้าไว้ใช้ในสภาพแวดล้อมที่เสื่อมโทรม ต้นทุนเหล่านี้จะต่ำ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่เผชิญกับการสั่นสะเทือนและบริการภาคสนาม ต้นทุนเหล่านี้ครองสัดส่วนมากที่สุด

สมมุติว่ามีระบบควบคุมสำหรับรถไฟ โดยใช้ 0603 แทน 0402 จะเพิ่ม BOM ขึ้น $4 แต่การออกแบบ 0402 มีอัตราการตะกั่วล้มเหลว 3% ซึ่งต้องทำซ้ำและค่าใช้จ่ายในการทำซ้ำอยู่ที่ $3,000 และสูญเสียบอร์ดที่ถูกทิ้งไป $15,000 จากการผลิต 500 ชิ้น การประหยัด BOM เริ่มต้นที่ $2,000 ถูกกลบด้วยค่าปรับ $18,000 แล้ว หากบอร์ด 0402 เพียง 1% ล้มเหลวในสนามภายใต้การรับประกันด้วยต้นทุน $300 ต่อการซ่อมแต่ละครั้ง ก็จะสูญเสียอีก $1,500

คณิตศาสตร์ชัดเจน ชิ้นส่วน 0603 มีต้นทุนที่ต่ำกว่าในช่วงวงจรชีวิตสินค้า ส่วนเสริมเล็กน้อยของ BOM เป็นการลงทุนที่คุ้มค่า ซึ่งสามารถคืนทุนได้หลายเท่า จากการลดการทำซ้ำ การสูญเสีย และความล้มเหลวในสนาม

เลือกที่เหมาะสมและเป็นเหตุผล

ข้อดีของ passive 0603 ในการสร้างที่แข็งแกร่งไม่ใช่สิ่งที่แน่นอนเสมอไป แต่ควรเป็นทางเลือกมาตรฐาน การเบี่ยงเบนไปสู่ 0402 ควรเป็นการตัดสินใจเชิงวิศวกรรมที่ตั้งใจไม่ใช่ปฏิกิริยาโดยอัตโนมัติ การเลือกนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยสำคัญไม่กี่ข้อ:

• ความเครียดจากสิ่งแวดล้อม: หากดีไซน์เผชิญกับการสั่นสะเทือนต่อเนื่อง การเปลี่ยนความร้อนตามรอบ หรือการบริการในสนาม 0603 ให้การรองรับเชิงกลและเศรษฐกิจที่สำคัญ สำหรับงานในสำนักงานหรือผู้บริโภคที่ปลอดภัย การคำนวณจะเปลี่ยนไป
• กลยุทธ์การทำซ้ำและบริการ: หากผลิตภัณฑ์จะได้รับการซ่อมในภาคสนาม 0603 ลดความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหายจากการทำซ้ำ ถ้าเป็นชิ้นส่วนที่ทิ้งและไม่สามารถซ่อมได้ ต้นทุนการทำซ้ำจะไม่เกี่ยวข้อง แต่ต้นทุนความล้มเหลวในสนามยังคงอยู่
• ปริมาณการผลิต: สายการประกอบที่มีปริมาณสูงและควบคุมอย่างเข้มงวดสามารถลดความเสี่ยงของตะกั่วล้มเหลวสำหรับ 0402 ได้ อย่างไรก็ตาม การผลิตที่มีปริมาณต่ำและความหลากหลายสูงขาดการควบคุมทางสถิติ ซึ่งทำให้ 0402 เป็นภาระต่อผลผลิต
• ข้อจำกัดด้านพื้นที่: ในกรณีที่พื้นที่บอร์ดเป็นข้อจำกัดที่แน่นอนและไม่สามารถยืดหยุ่นได้ 0402 อาจเป็นเพียงตัวเลือกเดียว การเลือกนี้ต้องทำด้วยความตระหนักรู้รอบคอบถึงผลกระทบ โดยอาจใช้การเคลือบเคฟลอน การเติมเต็มภายใน หรือยอมรับอัตราความล้มเหลวที่สูงขึ้นเป็นการแลกเปลี่ยนที่รู้จักกันดี

สัญชาตญาณที่อยากลดขนาด footprint ได้รับการสนับสนุนในด้านการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ แต่ในงานที่ต้องการความทนทานสูง สัญชาตญาณนี้กลับมีค่าใช้จ่ายมาก ชิ้นส่วน passive 0603 ไม่ล้าสมัย แต่เป็นการรับรู้เชิงปฏิบัติของความเป็นจริงด้านกลไกและเศรษฐกิจ ต้นทุนแฝงของการใช้ชิ้นส่วน 0402 ในการสร้างที่ทนทานไม่ใช่สิ่งที่ซ่อนอีกต่อไป พวกเขาสามารถวัดได้ ควรหลีกเลี่ยง และชี้นำอย่างมีนัยสำคัญไปสู่ footprint ที่ใหญ่ขึ้น