ความล้มเหลว “ผี” : ทำไมตัวเชื่อมต่อแบบกดพอดีจึงหลุดออกหลังจากออกจากโรงงาน

คุณได้เห็นรายงานแล้ว ข้อมูลสายการผลิตแสดงผลเป็นสีเขียวทั่วทั้งบอร์ด ทุกเส้นโค้งแรงกดแทรกอยู่ในสเปค การตรวจสอบการยึดเกาะที่ปลายสายต้องใช้แรงมาตรฐาน 30 นิวตันในการดึงพินออก ผู้จัดการฝ่ายประกันคุณภาพได้ลงนามรับรอง พาเลทถูกห่อหุ้ม และตู้คอนเทนเนอร์ได้ออกจากท่าเรือแล้ว แต่สามเดือนต่อมา การคืนสินค้าจากภาคสนามเริ่มสะสม ลูกค้ารายงานการสูญเสียพลังงานเป็นระยะ ๆ การรีเซ็ตเซ็นเซอร์ หรือขั้วต่อที่หลุดออกจาก PCB ทางกายภาพ

นี่คือความล้มเหลว “ผี” ของโลกการเชื่อมต่อ มันทำให้หงุดหงิดเพราะในช่วงเวลาประกอบ ผลิตภัณฑ์นั้นสมบูรณ์แบบ แผ่นข้อมูลบอกว่าพินพอดีกับรู เครื่องแทรกยืนยันว่าแรงกดเป็นไปตามมาตรฐาน แต่ฟิสิกส์ไม่ได้หยุดเมื่อกล่องถูกปิดเทป หากคุณพึ่งพาการตรวจสอบที่อุณหภูมิห้องเพื่อทำนายพฤติกรรมของพินที่ยืดหยุ่นได้ในช่วงห้าปีของการเปลี่ยนอุณหภูมิ คุณไม่ได้ทดสอบความน่าเชื่อถือ แต่คุณกำลังทดสอบโชค กลไกความล้มเหลวไม่ใช่การแทรก แต่เป็นสงครามที่มองไม่เห็นระหว่างพิน ท่อทองแดง และการขยายตัวและหดตัวของวัสดุอย่างต่อเนื่องในระหว่างการขนส่งและการใช้งาน

ฟิสิกส์ของการปล่อยวาง

เพื่อเข้าใจว่าทำไมพินถึงหลุดออกไป ลืมแรงเสียดทานไปก่อน คิดถึงพลังงานที่เก็บไว้ ข้อต่อแบบกดพอดีทำงานเพราะคุณบังคับให้สปริงที่ยืดหยุ่นได้ (พิน) เข้าไปในท่อที่แข็ง (รูผ่านชุบ) พินถูกบีบอัด เก็บพลังงานศักย์ พลังงานนี้ดันกลับไปที่ผนังทองแดง สร้างแรงปกติที่ทำให้เกิดแรงเสียดทานและการปิดผนึกไฟฟ้าที่แน่นหนาในแก๊ส ในวันแรก แรงนี้อยู่ในระดับสูงสุด โลหะมีความยืดหยุ่น ทองแดงยังใหม่ และการจับยึดแน่น

แต่โลหะไม่ใช่ของแข็งนิ่ง มันไหล เมื่อเวลาผ่านไป ภายใต้ความเครียดและอุณหภูมิสูง โครงสร้างอะตอมของพินทองแดงและการชุบ PCB เริ่มจัดเรียงตัวใหม่เพื่อลดความเครียดภายใน นี่คือการผ่อนคลายความเครียด ลองพิจารณาการส่งมอบตัวควบคุมอุตสาหกรรมทางเรือจากฤดูร้อนที่ชื้นในไต้หวันไปยังคลังสินค้าในดูไบ ภายในตู้คอนเทนเนอร์นั้น อุณหภูมิสามารถเปลี่ยนแปลงระหว่าง 20°C ในตอนกลางคืนและ 60°C หรือสูงกว่าในตอนกลางวัน เป็นเวลาสี่สัปดาห์ ขั้วต่อนั้นถูกอบ

ที่ 60°C กระบวนการผ่อนคลายเร่งขึ้น โลหะผสมทองแดงของพิน (โดยเฉพาะถ้าเป็นเกรดต่ำกว่าเช่นทองเหลืองแทนที่จะเป็นฟอสฟอรัสบรอนซ์หรือทองแดงเบริลเลียมที่มีประสิทธิภาพสูง) เริ่มยอมแพ้ มัน “ลืม” รูปร่างเดิมและผ่อนคลายเข้าสู่รูปร่างที่ถูกบีบอัด เมื่ออุปกรณ์เย็นลง พินจะไม่เด้งกลับด้วยแรงเท่าเดิม แรงปกติ—สิ่งเดียวที่ยึดขั้วต่อนั้นไว้กับการสั่นสะเทือน—ลดลง คุณอาจเริ่มต้นด้วยแรงยึด 40 นิวตัน แต่หลังจากอยู่ใน “เตาอบตู้คอนเทนเนอร์” เป็นเวลาหนึ่งเดือน คุณอาจเหลือเพียง 15 นิวตัน แรงเสียดทานหายไป และครั้งแรกที่รถยกทำให้พาเลทตก ความเฉื่อยของสายเคเบิลหนักจะดึงขั้วต่อหลุดออก

ไม่ใช่การเคลื่อนไหวทั้งหมดคือความล้มเหลว คุณอาจเขย่าที่อยู่อาศัยพลาสติกและรู้สึกถึงการเคลื่อนไหว “โยก” เล็กน้อย ซึ่งมักทำให้ฝ่าย QA ตื่นตระหนก แต่ที่อยู่อาศัยไม่ใช่กลไกการยึด พินกับรูต่างหากที่เป็น กล่องพลาสติกลอยได้ พินต้องถูกยึด อย่างไรก็ตาม หากการเคลื่อนไหวแบบโยกนี้แปลเป็นการเคลื่อนที่ของพินภายในรูผ่านชุบ การปิดผนึกแก๊สจะแตกออก การเกิดออกไซด์เริ่มทันที ความต้านทานเพิ่มขึ้น และความล้มเหลวเป็นระยะเริ่มต้น

สงครามเย็น: ความไม่ตรงกันของ CTE

ถ้าความร้อนทำให้สปริงผ่อนคลาย ความเย็นจะทำลายการล็อก ศัตรูที่มองไม่เห็นที่สองคือสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) วัสดุแต่ละชนิดขยายและหดตัวในอัตราที่แตกต่างกัน FR4 ไฟเบอร์กลาสของ PCB ของคุณมี CTE ประมาณ 14-17 ppm/°C ในแกน Z พลาสติก PBT หรือไนลอนของที่อยู่อาศัยขั้วต่อมี CTE ที่สูงกว่าถึงสามถึงสี่เท่า

ลองจินตนาการถึงกลุ่มมาตรวัดบนแดชบอร์ดในรถที่จอดอยู่นอกบ้านในฤดูหนาวของสแกนดิเนเวีย อุณหภูมิลดลงถึง -30°C ที่อยู่อาศัยพลาสติกของขั้วต่อต้องการหดตัวอย่างมาก PCB ต้องการหดตัวเช่นกัน แต่ในระดับที่น้อยกว่า ที่อยู่อาศัยพลาสติกหดตัว ดึงพิน เนื่องจากพินถูกยึดไว้ในบอร์ด จึงเกิดแรงเฉือนมหาศาล ที่อยู่อาศัยพยายามฉีกพินออกด้านข้างหรือดึงพินออกจากรู

ในระบบที่ออกแบบมาอย่างดี โซนที่ยืดหยุ่นของพินจะดูดซับความเครียดนี้ มันยืดหยุ่นได้ แต่ถ้าพินแข็งเกินไป หรือถ้าแรงยึดถูกทำให้แย่ลงแล้วโดยการผ่อนคลายความเครียด ที่อยู่อาศัยจะชนะ มันดึงพินออกจากรู นี่มักเป็นเหตุผลที่คุณเห็นขั้วต่อที่ดู “เอียง” ในการคืนสินค้าภาคสนาม พวกมันไม่ได้เริ่มต้นแบบนั้น พวกมันถูกดึงออกจากตำแหน่งทีละมิลลิเมตรด้วยทุก ๆ รอบความร้อนของเครื่องยนต์ที่อุ่นขึ้นและเย็นลง

ตัวแปรที่มองไม่เห็น: รู

วิศวกรหมกมุ่นอยู่กับพิน พวกเขาโต้เถียงกันเรื่องโลหะผสม—C7025 กับ C5191—และรูปทรงของ “ตาของเข็ม” แต่พวกเขาแทบไม่ตรวจสอบรูเลย ในหลายกรณี พินนั้นดี แต่บอร์ดนั้นถูกกำหนดให้ล้มเหลวตั้งแต่ต้น

ข้อกำหนดสำหรับรูแบบกดพอดีนั้นเข้มงวดมาก—ความคลาดเคลื่อน +/- 0.05 มม. ในขนาดรูที่เสร็จแล้ว แต่สิ่งที่สำคัญกว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางคือความสมบูรณ์ของชั้นเคลือบ บอร์ดมาตรฐาน IPC-6012 Class 2 อาจกำหนดให้มีทองแดงเฉลี่ย 20 ไมครอนในบาร์เรล แต่การเคลือบไม่เคยสม่ำเสมอ ที่ “ข้อพับ” ของรู—มุมที่บาร์เรลเชื่อมต่อกับพื้นผิว—ชั้นเคลือบอาจบางลงเนื่องจากการกระจายความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าในระหว่างการผลิต

ถ้าผู้ขาย PCB เร่งอ่างเคลือบเร็วเกินไปเพื่อประหยัดเงิน จะเกิดเอฟเฟกต์ “กระดูกสุนัข” ที่ทองแดงหนาที่ปลายและบางตรงกลาง หรือทองแดงเปราะที่แตกร้าวเมื่อรับแรง เมื่อคุณกดพินแบบกดพอดีลงในรูที่มีชั้นเคลือบเปราะหรือบาง ส่วนที่ยืดหยุ่นไม่ได้แค่ถูกบีบอัด แต่ฉีกทองแดงออกจากผนังไฟเบอร์กลาส คุณได้ทำลายความสมบูรณ์ทางกลของจุดยึดก่อนที่ชิ้นงานจะออกจากโรงงาน พินจะรู้สึกแน่นในตอนแรกเพราะมันถูกยัดเข้าไปในผ้าทอแก้ว แต่แก้วจะไหลภายใต้แรงกด (การไหลเลื่อน) ได้เร็วกว่าโลหะมาก ให้เวลาสักสองสามสัปดาห์ของการสั่นสะเทือน และพินนั้นจะหลวมจนสั่นได้

การแก้ไขที่ผิดพลาดและแผ่นปิดแผลที่อันตราย

เมื่อฝ่ายผลิตรู้ว่าชุดขั้วต่อหลวม สัญชาตญาณคือแก้ไขทันที คำถามที่พบบ่อยและอันตรายที่สุดคือ: “เราสามารถบัดกรีพินแบบกดพอดีเหล่านี้เพื่อยึดไว้ได้ไหม?”

นี่คือ “พลาสเตอร์บัดกรี” และมักจะทำให้สถานการณ์แย่ลง พินแบบกดพอดีเป็นสปริงที่แม่นยำ พวกมันพึ่งพาความแข็งของโลหะเพื่อรักษาพลังงานที่เก็บไว้ที่เราพูดถึง หากคุณสัมผัสสปริงนั้นกับความร้อนของอ่างบัดกรีแบบเวฟ (260°C ขึ้นไป) คุณจะทำให้โลหะอ่อนตัวลง คุณทำให้สปริงอ่อนลง คุณอาจได้ฟิลเลตต์บัดกรีที่ด้านล่าง แต่คุณได้ทำลายความตึงภายในที่สร้างการปิดผนึกแบบก๊าซแน่นในบาร์เรล นอกจากนี้ ฟลักซ์จากกระบวนการบัดกรีอาจซึมขึ้นไปในบริเวณสัมผัส ทำให้เกิดการกัดกร่อนในภายหลัง เว้นแต่พินจะถูกออกแบบเป็น “ไฮบริด” (ซึ่งหายาก) ให้หลีกเลี่ยงอ่างบัดกรีเวฟกับมัน

การเคลื่อนไหวที่สองที่มักเกิดจากความสิ้นหวังคือการแก้ไขงาน “ผู้ปฏิบัติงานไม่ได้กดให้เต็มที่ เราจะดันออกแล้วกดพินใหม่เข้าไปได้ไหม?” คำตอบเกือบจะเป็น “ไม่” เสมอ การเชื่อมต่อแบบกดพอดีเป็นเหตุการณ์ทางโลหะวิทยาครั้งเดียว การสอดใส่ครั้งแรกจะทำให้ทองแดงในรูเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก มันทำให้บาร์เรลแข็งขึ้น หากคุณกดพินใหม่เข้าไปในรูเดิม แรงยึดจะต่ำกว่าครั้งแรก 40-50% ทองแดงไม่มีความยืดหยุ่นเหลืออีกต่อไป มันจะแตกหรือจับไม่อยู่ เว้นแต่คุณจะมีพิน “ซ่อมแซม” ขนาดใหญ่กว่าซึ่งเป็นเรื่องยุ่งยากในการจัดเก็บ การสอดใส่ผิดพลาดมักหมายถึงการทิ้งบอร์ด

การตรวจสอบที่ทำนายความล้มเหลวได้จริง

คุณไม่สามารถพึ่งพาแผ่นข้อมูลเพื่อช่วยคุณได้ ข้อกำหนดแรงยึดของผู้ขายอ้างอิงจากรูที่เจาะอย่างสมบูรณ์แบบในห้องปฏิบัติการ ไม่ใช่บอร์ดที่ผลิตจำนวนมากที่คุณซื้อจริง

เพื่อป้องกันความล้มเหลวในสนามเหล่านี้ คุณต้องตรวจสอบระบบ ไม่ใช่แค่ชิ้นส่วน นั่นหมายถึงการนำขั้วต่อเฉพาะของคุณและ PCB เฉพาะของคุณ (จากโรงงานบอร์ดจริง ไม่ใช่ร้านต้นแบบ) และทดสอบด้วยความร้อนช็อกและการสั่นสะเทือน ทำการทดสอบที่อุณหภูมิ -40°C ถึง 105°C (หรือช่วงการทำงานของคุณ) เป็นจำนวน 500 หรือ 1000 รอบ จากนั้น และเฉพาะตอนนั้น ให้วัดแรงยึด

ถ้าพินดึงออกด้วยแรงน้อยกว่าน้ำหนักของสายเคเบิลที่ติดอยู่ คุณมีปัญหา ไม่สำคัญว่าต้องใช้แรง 50 นิวตันในการดึงออกบนสายการผลิต หากต้องใช้แรง 2 นิวตันในการดึงออกหลังจากผ่านการเปลี่ยนอุณหภูมิเป็นเวลาหนึ่งเดือน ผลิตภัณฑ์ของคุณคือระเบิดเวลาที่รอระเบิด ฟิสิกส์ไม่เคยแพ้ อย่าเดิมพันชื่อเสียงของคุณกับมัน