چرا اجزای تأمین‌شده توسط مشتری دیگر نمی‌توانند سولدر را خیس کنند؟

چرا اجزای تأمین‌شده توسط مشتری دیگر نمی‌توانند سولدر را خیس کنند؟

ساعت اکسیداسیونی که هیچ‌کس آن را بررسی نمی‌کند

جعبه با برچسبی جذاب تحویل داده شد: «IC-U3، تعداد ۱۲۰۰۰، کد تاریخ ۲۰۲۴-W18». این کد ۱۸ ماه پیش از روز مونتاژ بود. درون جعبه، پیچ‌ها هنوز در خلأ بسته شده بودند، کیسه‌های جاذب رطوبت آسیب‌نخورده بودند و برچسب‌های بررسی‌شده دست‌نخورده مانده بودند. گروه مشتری نهایی تمام اقدامات لازم را انجام داده بود — زودتر خریداری کرده، با دقت انبار کرده و مستندات گسترده‌ای تهیه کرده بود. تنها کاری که انجام نداده بود این بود که کد تاریخ را با زمان‌بندی مقایسه کند.

در خط SMT اولین پیچ صفر سیستم هشدار تولید کرد. فورن بازپخت  پروفایل مطابق با صفحه داده‌های خمیر بود. اما وقتی برد‌های ارزیابی ظاهر شدند، اتصال‌های اطراف U3 درست به نظر نمی‌آمدند. فلز مذاب نتوانسته بود سرپایه‌های قطعه را مرطوب کند. این فلز مذاب به‌صورت کروی و کدر روی سطح قرار گرفته بود و از بالا رفتن روی سرپایه‌ها امتناع می‌ورزید. تصاویر اشعه ایکس آنچه را که چشم حدس زده بود تأیید کرد: ردیفی از سر در بالشین  اتصال‌ها — فضای خالی سبک BGA بین گلوله و صفحه — و تعداد زیادی از غیرتر شونده  اتصال‌هایی که در نگاه اول قابل قبول به نظر می‌رسند اما در عرض یک سال شکست می‌خورند.

این دومین نکتهٔ جلب توجه است: این اتفاق واقعاً پس از خرید قرص‌های تلخ توسط مشتری رخ نداده است. بلکه به دلیل این اتفاق افتاده است که مواد تأمین‌شده توسط مشتری — یعنی اجزایی که مشتری برای مونتاژ در اختیار شما قرار می‌دهد — زمان‌سنجی خاصی دارند که از خط پوشش‌دهی (پلیتینگ) آغاز می‌شود، نه از انبار شما. هیچ‌کس این هشدار را تنظیم نکرده است. و هنگامی که این هشدار فعال می‌شود، در اتوی بازплавی شما، در شیفت کاری شما و علیه ضمانت‌نامهٔ شما صدا می‌زند.

خطر ویژهٔ مواد تأمین‌شده توسط مشتری

مواد تأمین‌شده توسط مشتری  (CSM) — که به آن مواد تأمین‌شده توسط مشتری نیز گفته می‌شود — تنها منبع ورودی است که در آن مرکز مونتاژ کمترین کنترل را دارد و بیشترین معرض‌بودن را تجربه می‌کند. این اجزا از انبار مشتری، واسطه یا توزیع‌کنندهٔ او تأمین می‌شوند. مرکز مونتاژ مسئول نتیجهٔ نهایی است، اما مسئولیت تهیهٔ این اجزا را ندارد. این تقسیم‌بندی منطقه‌ای نامرئی ایجاد می‌کند: تصمیمات خرید (مانند مدت زمان نگهداری موجودی، محل نگهداری آن و زمان استفاده از آن) توسط مشتری گرفته می‌شوند، در حالی که پیامدهای آن بر خط تولید وارد می‌شوند.

و حالت خرابی خطرناک است. سرپای‌های اکسیدشده ظاهری آسیب‌دیده ندارند. یک پیچه سرپای QFP از سال ۲۰۲۴ ممکن است با سرپای تولیدشده در ماه گذشته کاملاً مشابه به نظر برسد — شاید کمی کدرتر، اگر با دقت نگاه کنید، اما هیچ چیزی که در بازرسی ورودی رد شود. معادن مس پوشیده شده  لایه اکسید روی روکش با واحد نانومتر اندازه‌گیری می‌شود. این لایه برای چشم غیرقابل‌مشاهده است، برای عدسی میکروسکوپ دیجیتال نیز غیرقابل‌مشاهده است و کاملاً کافی است تا جلوی خیس‌شدن سolder را بگیرد.

تأثیر زمان و هوا بر سرپای قطعه

سطح سرپای امروزی یک قطعه، لایه‌ای است — معمولاً روکش قلع یا قلع-سرب  روی پایه‌ای از مس یا آلیاژ. این روکش تنها به یک دلیل وجود دارد: فراهم کردن سطحی که سolder مذاب بتواند به آن متصل شود. مس خالص قطعاً در عرض چند ساعت اکسید می‌شود. قلع بسیار آهسته‌تر اکسید می‌شود — اما باز هم اکسید می‌شود. با گذشت ماه‌ها و در شرایط رطوبت محیطی، لایه‌ای از اکسید سنگین  اکسید قلع روی سطح تشکیل می‌شود. سolder به اکسید قلع چسبیده نمی‌شود. بلکه به فلز تمیز چسبیده می‌شود.

زمان‌سنج این فرآیند، ضخامت روکش است. طول عمر و توافق بخش به‌صورت صریح این است که قابلیت لحیم‌شدن عنصر معمولاً برای ۶ ماه تا یک سال  از روز پوشش‌دهی فلزی تضمین می‌شود، با این حال افت کیفیت پس از دو سال شتاب می‌گیرد. ضمانت‌نامه شامل شرایطی است — بسته‌بندی بسته، رطوبت کنترل‌شده و دمای مناسب. اگر حتی یکی از این شرایط رعایت نشود، زمان تضمین کوتاه‌تر می‌شود. ذخیره‌سازی قطعات در محیط مرطوب بدون استفاده از عامل جذب رطوبت می‌تواند باعث کاهش قابلیت لحیم‌شدن یک قطعهٔ دارای ضمانت ۱۲ ماهه در عرض ۴ ماه شود.

مشکل دومی وجود دارد که این مشکل را تشدید می‌کند: جذب رطوبت بسیاری از بسته‌بندی‌های ادغام‌شده (آی‌سی) حساس به رطوبت  (دارای رتبهٔ MSL هستند). عناصری که در شرایط مرطوب نگهداری می‌شوند، آب را در مادهٔ قالب‌گیری جذب می‌کنند. در دمای بازپخت — معمولاً ۲۴۰ تا ۲۶۰ ° درجهٔ سانتی‌گراد برای نسخه‌های بدون سرب — این آب به‌صورت ناگهانی به بخار تبدیل می‌شود و می‌تواند باعث ترک‌خوردن قطعه از درون به بیرون شود؛ این پدیده «پاپ‌کورنینگ» نام دارد. پاپ‌کورنینگ لیدها ممکن است به‌طور بی‌نقصی مرطوب شوند. اما بسته‌بندی همچنان آسیب‌دیده است. برای قطعات تأمین‌شده توسط مشتری که مدت‌زمان طولانی نگهداری می‌شوند، اکسیداسیون و جذب رطوبت معمولاً همزمان رخ می‌دهند و باعث ایجاد خرابی‌هایی می‌شوند که ظاهری کاملاً متفاوت دارند، اما ریشه در یک منبع واحد دارند: زمان صرف‌شده در نگهداری بدون کنترل.

آنچه در فر رخ می‌دهد

وقتی یک لید اکسیدشده با سolder مذاب در اُونِ بازپخت (reflow oven) تماس پیدا می‌کند، قوانین فیزیک بی‌رحم هستند. خیس‌شدن (wetting) نیازمند این است که سولدر پیوند بین‌فلزی با فلز پایه ایجاد کند — یعنی اینکه سولدر باید اکسید سطحی را حل کند تا به فلز تمیز برسد. fLUX  جریان‌دهنده (flux) موجود در خمیر سولدر برای انجام این کار طراحی شده است و به‌صورت شیمیایی اکسید را از بین می‌برد. اما توانایی جریان‌دهنده محدود است. مقدار معمولی اکسید به‌سرعت حذف می‌شود. اما لایه ضخیم اکسید ناشی از ۱۸ ماه نگهداری می‌تواند جریان‌دهنده را قبل از اینکه سطح کاملاً تمیز شود، از بین ببرد و سولدر را بدون هیچ سطحی برای ایجاد پیوند باقی بگذارد.

نتایج قابل توجه در سه نوع مختلف مشاهده می‌شود که همه آنها در معیارهای اجرای دستی IPC ثبت شده‌اند:

غیرتر شونده — لحیم به سر سیم تماس می‌گیرد اما هرگز به آن چسبیده نمی‌شود. این اتصال شبیه لحیمی است که روی شیشه قرار گرفته است. ممکن است از بازرسی بصری عبور کند اگر هندسه آن را پنهان کند و در بدترین زمان ممکن از نظر الکتریکی عملکرد خود را از دست بدهد.

پوسته‌پوسته‌شدن — لحیم در ابتدا مرطوب می‌شود، سپس به دلیل تشکیل مجدد اکسید زیر آن، به ذرات کوچک‌تری بازمی‌گردد. نتیجه این امر اتصالی با حفاظت جزئی و مقاومت بسیار کاهش‌یافته است. پدیدهٔ «بازگشت رطوبت» (Dewetting) نشانهٔ کلاسیک سطحی است که در آستانهٔ اکسید شدن و تنها کمی از حد مجاز فاصله دارد.

سر در بالشین — کره‌های لحیم روی BGA یا لحیم روی پد هرگز با سطح قابل لحیم‌کاری سر سیم قطعه ترکیب نمی‌شوند. در نتیجه دو جرم لحیم جداگانه ایجاد می‌شود که در تصاویر اشعهٔ ایکس به نظر متصل می‌آیند اما در واقعیت تنها به سختی به یکدیگر لمس می‌کنند. پدیدهٔ «سر در بالش» (Head-in-pillow) خطرناک‌ترین مورد از این سه مورد است، زیرا تشخیص آن دشوارترین است و احتمال بالایی برای ایجاد خرابی‌های مکرر در ناحیهٔ اتصال دارد.

چرا بازرسی ورودی نمی‌تواند شما را نجات دهد

این جاست که مشکل سی‌اس‌ام از نظر ساختاری برای کارخانهٔ مونتاژ غیرمنطقی می‌شود. معیار ارزیابی ورودی  بررسی مقدار، بسته‌بندی، کدهای تاریخ و مشکلات بصری را شامل می‌شود. هیچ‌کدام از این موارد لایه‌های اکسید را آشکار نمی‌کنند. یک آزمون قابلیت لحیم‌پذیری تخصصی — روش غوطه‌وری و بررسی یا تعادل مرطوب‌سازی طبق استاندارد J-STD-002 — قطعاً این پدیده را شناسایی می‌کند، اما این آزمون مخرب است، زمان‌بر بوده و به‌ندرت روی محموله‌های تأمین‌شده توسط مشتری انجام می‌شود، مگر اینکه قبلاً مشکلی وجود داشته باشد.

حتی انجام یک آزمون کامل قابلیت لحیم‌پذیری روی نمونه‌ای از قطعات، محدودیت‌های آماری دارد. رشد اکسید در سراسر یک پیچ یا در مجموعه‌ای از قطعات یکنواخت نیست. لبهٔ پیچی که در معرض رطوبت هوا قرار گرفته، به‌درستی مرطوب نمی‌شود؛ درحالی‌که مرکز آن که توسط قطعات مجاور محافظت می‌شود، مرطوب‌سازی ضعیفی دارد. ممکن است پنج قطعهٔ نمونه از آزمون عبور کنند، درحالی‌که سایر قطعات محموله شکست بخورند. شما محموله را ارزیابی نمی‌کنید؛ بلکه پنج قطعه‌ای را که انتخاب کرده‌اید ارزیابی می‌کنید.

بازی سرزنش که پس از آن انجام می‌شود

وقتی این مسئله پیش می‌آید، اولین سؤالی که همیشه مطرح می‌شود این است: «خطای چه کسی است؟» گروه طراحی مشتری به فرآیند مونتاژ — حساب، خمیر لحیم‌کاری و نحوه‌ی برخورد با قطعات — اشاره می‌کند. در مقابل، واحد مونتاژ به مواد اشاره می‌کند. هر دو تا حدی حق دارند و هیچ‌یک دست‌شان کاملاً پاک نیست.

پاسخ ساده این است که مسئولیت باید پیش از اینکه ریل‌ها وارد خط تولید شوند، به‌صورت کتبی تعیین می‌شد. روش استاندارد صنعت برای مدیریت این موضوع این است که واحد مونتاژ بررسی قابلیت لحیم‌کاری  را روی مواد تأمین‌شده توسط مشتری در زمان صورتحساب انجام دهد و مستندسازی کند، کدهای روز را که فراتر از بازه‌ی ۱۲ ماهه هستند، علامت‌گذاری کند و تأییدیه‌ی کتبی مشتری را دریافت کند مبنی بر اینکه قطعات فرسوده در خطر خودشان مونتاژ خواهند شد — یا اینکه قطعات فرسوده پیش از مونتاژ رد خواهند شد. این تنها اقدام، بحث را از «شما قطعات من را خراب کردید» به این سو منتقل می‌کند که «قطعات از پیش شناخته‌شده بودند که در معرض خطر هستند و ما در مورد نحوه‌ی برخورد با آن‌ها توافق کردیم.»

در عمل چه چیزی آن را رفع می‌کند

هیچ‌کدام از این موارد منحصربه‌فرد نیستند. روش‌نامه کوتاه و اثبات‌شده است:

در زمان دریافت نمایش داده شود.  کدهای تاریخ را با پنجرهٔ ۱۲ ماههٔ قابلیت لحیم‌کاری در خانه مقایسه کنید. برای نمونه‌ای از هر سری که بیش از ۶ ماه سن داشته باشد، آزمون غوطه‌وری و بررسی یا آزمون تعادل رطوبتی انجام دهید. این کار یک ساعت طول می‌کشد و حوادث را شناسایی می‌کند.

اجزای تأمین‌شده توسط مشتری را مانند اجزای خودتان نگهداری کنید.  در کشویی امن و خشک با رطوبت کنترل‌شده نگهداری شود. اگر اجزای مشتری در بسته‌بندی‌های باز یا غیرمحکم تحویل داده شوند، آن را به‌صورت کتبی گزارش دهید. کنترل رطوبت هزینه‌ای معادل چند سنت به ازای هر ریل دارد و هم در برابر اکسیداسیون و هم در برابر آسیب‌های ناشی از رطوبت به بسته‌ها محافظت می‌کند.

برای حذف رطوبت حرارت دهید، اما نه برای حذف اکسید.  پختن قطعاتی که رتبه‌بندی MSL دارند، رطوبت جذب‌شده را از بین می‌برد و پدیدهٔ «پاپ‌کورنی» را متوقف می‌کند — این بخش واقعی است. اما پختن قابلیت لحیم‌شدن را باز نمی‌گرداند. سرِ لحیم اکسیده‌شده، همچنان اکسیده‌شده باقی می‌ماند و هیچ مقدار گرمایی نمی‌تواند واکنش شیمیایی را معکوس کند. گروه‌هایی که در این دو مورد سردرگم هستند، در نهایت قطعات ۱۸‌ماهه را پخته و آن‌ها را عالی اعلام می‌کنند، اما همان مشکلات نامناسب شدن لحیم (wetting failures) را روی خط تولید مشاهده می‌کنند.

با خطرات پیش از مونتاژ، نه پس از آن، موافقت کنید.  سفارش یا قرارداد راه‌اندازی باید مشخص کند که در صورت عدم عبور مواد تأمین‌شده توسط مشتری از آزمون قابلیت لحیم‌شدن چه اتفاقی می‌افتد: رد و بازگرداندن کالا، مونتاژ با ریسک مشتری، یا انجام عملیات روتینینگ به هزینهٔ مشتری. اگر این مورد پیش از وقوع مشکل به‌صورت کتبی ثبت شود، یک یادداشت فرآیندی است؛ اما اگر پس از ایجاد یک مجموعهٔ ناموفق نوشته شود، تبدیل به یک مناقشهٔ حقوقی می‌شود.

ساعت همواره در حال شمارش است.

مواد تأمین‌شده توسط مشتری تنها حوزه‌ای است در PCB مونتاژ  جایی که قوانین شیمی و شرایط یک توافقنامه با هم تلاقی می‌کنند. شیمی بی‌رحم است: یک نانومتر اکسید، ناپیدا و بی‌خطر به نظر رسیدنی، لحیم‌کاری را کاملاً متوقف می‌کند. توافق اختیاری است — هیچ چیزی فردی را مجبور نمی‌کند که کد تاریخ را بررسی کند، آزمون خیس‌شدن را انجام دهد یا ریسک را در تهیهٔ قطعات در نظر بگیرد.

سازندگانی که این شکست را جلوگیری می‌کنند، آن‌هایی نیستند که اجاق‌های بهتر یا خمیر لحیم‌کاری بهتری دارند. آن‌ها کسانی هستند که کد روز را به‌جای یک برچسب، به‌عنوان تاریخ انقضا در نظر می‌گیرند. زمان‌سنج از خط پوشش‌دهی در روزی که قطعه تولید می‌شود، شروع می‌شود. این زمان به‌دلیل آب‌بندی‌های خلاء، سفارش‌های خرید یا اهداف خوب، حتی برای یک لحظه هم متوقف نمی‌شود. قبل از اینکه پیچ‌کلاف وارد خط تولید شود، آن را بازرسی کنید — یا به مشتری توضیح دهید که چرا قطعات ۱۸ ماههٔ او در اُونِ بازплавی شما، نه در اُونِ خودش، شکسته‌اند.