เซ็นเซอร์อุตสาหกรรมแบบใช้ถ่านกระดุม เช่น เครื่องติดตามทรัพย์สิน โหนดตรวจวัดการสั่นสะเทือน หรือเครื่องตรวจวัดสภาพแวดล้อม จะมีงบประมาณพลังงานที่ตายตัว การเลือกเฟิร์มแวร์และส่วนประกอบเป็นตัวกำหนดว่างบประมาณดังกล่าวจะถูกใช้อย่างไร แต่คุณภาพของการประกอบเป็นตัวกำหนดว่าพลังงานจะสูญเสียไปมากน้อยเพียงใดก่อนที่เซ็นเซอร์จะเริ่มทำงานที่เป็นประโยชน์ บทความนี้อธิบายปัจจัยด้านการประกอบที่สำคัญที่สุดสำหรับบอร์ดเซ็นเซอร์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรีซึ่งสร้างขึ้นบนเซลล์ปฐมภูมิ (แบบไม่สามารถชาร์จซ้ำได้)
ขอบเขต:เซนเซอร์ไร้สายอุตสาหกรรมแบบประจำที่ ใช้พลังงานจากถ่านกระดุมหรือแบตเตอรี่ลิเธียมแบบปฐมภูมิ
ทำไมคุณภาพการประกอบจึงส่งผลต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่?
บนบอร์ดที่ใช้ไฟจากเมนส์ กระแสรั่วที่เกี่ยวข้องกับคราบตกค้างในระดับหลายร้อยนาโนแอมป์ถือว่าน้อยมากไม่ส่งผลกระทบ แต่บนเซ็นเซอร์ที่ถูกออกแบบมาให้มีอายุการใช้งาน 10 ปี เส้นทางการรั่วไหลแบบเดียวกันนี้สามารถใช้พลังงานไปเป็นสัดส่วนที่มีนัยสำคัญของงบประมาณพลังงานทั้งหมด
งบประมาณพลังงานเชิงสาธิต
ตัวเลขต่อไปนี้เป็นการคำนวณเพื่อการอธิบาย ไม่ใช่ข้อมูลที่ได้จากการวัดโดยตรง
ผู้ผลิตเซลล์รายใหญ่ประเมินความจุที่ระบุของแบตเตอรี่ CR2032 อยู่ที่ประมาณ 220–240 mAh ภายใต้การคายประจุต่ำ ที่นี่เราใช้ค่า 230 mAh
กระจายออกไปในระยะเวลา 10 ปี (ประมาณ 87,600 ชั่วโมง) แบตเตอรี่ขนาด 230 mAh ช่วยให้กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยประมาณ 2.6 µAก่อนที่จะคำนึงถึงการคายประจุด้วยตนเองและการลดระดับโหลดแบบพัลส์
เส้นทางการรั่วไหลที่เกิดจากการปนเปื้อนขนาด 10 MΩ ข้ามรางจ่ายไฟ 3.0 V จะดึงกระแส 0.3 µA หรือประมาณ 11% ของงบกระแสที่กำหนด
ที่ 1 MΩ กระแสรั่วจะสูงถึง 3 µA ซึ่งเกินงบประมาณกระแสเฉลี่ยทั้งหมด เซ็นเซอร์จึงจะมีอายุการใช้งานไม่ถึงเป้าหมาย ไม่ว่าเฟิร์มแวร์จะมีประสิทธิภาพเพียงใด
ความต้านทานฉนวนผิวหน้าในช่วงนี้แทบไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยการทดสอบการทำงานที่อุณหภูมิห้อง โดยทั่วไปแล้วจะปรากฏให้เห็นก็ต่อเมื่อแผงวงจรถูกใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นเท่านั้น
วงจรที่ไวต่อสารตกค้างมากที่สุด
วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าความอิมพีแดนซ์สูง(มักจะมีค่าประมาณ 1–10 MΩ) ใช้สำหรับการตรวจสอบแบตเตอรี่ กระแสรั่วไหลจะดึงกระแสไฟและยังทำให้ค่าที่วัดได้ผิดเพี้ยนอีกด้วย
วงจรคริสตัล RTC 32.768 kHzออสซิลเลเตอร์เหล่านี้ทำงานที่ระดับไดรฟ์ต่ำมาก โดยมีค่าความจุโหลดเพียงไม่กี่พิโคฟารัด โน้ตแอปพลิเคชันการออกแบบออสซิลเลเตอร์ของผู้ผลิต MCU เตือนว่าเศษตกค้างและความชื้นอาจเพิ่มค่าคาปาซิแตนซ์寄生และการรั่วไหล ซึ่งอาจทำให้เกิดการลอยของความถี่หรือการสตาร์ตไม่ติด
ส่วนหน้าอะนาล็อกของเซนเซอร์พร้อมกระแสไบแอสอินพุตในระดับพิโคแอมป์
ประตู MOSFET สำหรับการปิดจ่ายไฟ (power-gating) และขาอินพุตของคอมพาราเตอร์สำหรับการปลุก (wake-up)การรั่วไหลที่โหนดเหล่านี้อาจทำให้โดเมนพลังงานยังคงเปิดทำงานบางส่วน
ฟลักซ์บัดกรีแบบไม่ต้องทำความสะอาด (No-Clean Solder Paste): เหตุใดจึงเป็นมาตรฐานเริ่มต้น และจุดที่อาจล้มเหลว
โดยทั่วไปแล้วน้ำประสานแบบไม่ต้องทำความสะอาดมักเป็นตัวเลือกที่ได้รับความนิยมสำหรับบอร์ดเซนเซอร์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ด้วยเหตุผลสามประการ:
ฟลักซ์ที่ละลายน้ำได้จะทิ้งคราบตกค้างที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูงหากการล้างทำความสะอาดไม่สมบูรณ์ และการล้างทำความสะอาดบริเวณชิ้นส่วนที่มีระยะห่างจากแผ่นวงจรต่ำ เช่น QFN และโมดูล LGA นั้นเป็นเรื่องยากต่อการตรวจสอบ
บอร์ดเซ็นเซอร์จำนวนมากมีส่วนประกอบที่ไม่ควรล้าง เช่น เซ็นเซอร์ MEMS ที่มีรูระบายอากาศ และเซ็นเซอร์วัดความชื้นที่มีแผ่นเมมเบรนเปิดเผย
เมื่อเกิดการรีโฟลว์อย่างสมบูรณ์แล้ว คราบไม่ต้องทำความสะอาดจะถูกห่อหุ้มไว้และมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ
คุณสมบัติที่สำคัญคือจัดรูปแบบใหม่อย่างสมบูรณ์. คราบแบบไม่ต้องทำความสะอาดจะไม่ก่ออันตรายก็ต่อเมื่อสารกระตุ้นของมันถูกใช้หมดหรือสลายตัวด้วยความร้อนแล้วเท่านั้น โหมดความล้มเหลวที่พบได้บ่อยมีสองแบบ ได้แก่
ฟลักซ์ติดค้างอยู่ใต้ชิ้นส่วนที่มีระยะยกตัวต่ำฟลักซ์ที่อยู่ใต้แพ็คเกจ QFN หรือโมดูล RF แบบมีชิลด์อาจไม่ถึงอุณหภูมิการกระตุ้นเต็มที่ ทำให้มีกรดอินทรีย์ที่มีฤทธิ์อ่อนหลงเหลืออยู่
การกระจายของฟลักซ์จากการบัดกรีรองฟลักซ์เหลวจากการบัดกรีแบบคลื่นหรือการบัดกรีด้วยมือสามารถแพร่กระจายเข้าสู่พื้นที่ SMT ที่ไม่เคยได้รับความร้อนเพียงพอที่จะทำให้มันเป็นกลางได้
กระบวนการวัดผลต่อไปนี้ช่วยลดความเสี่ยงเหล่านี้:
การจัดประเภทฟลักซ์ระบุฟลักซ์ชนิดกิจกรรมต่ำตามมาตรฐาน IPC J-STD-004 โดยใช้ ROL0 หรือ REL0 ที่มีปริมาณฮาไลด์ต่ำกว่า 0.05% ซึ่งเป็นตัวเลือกที่ใช้กันทั่วไปสำหรับงานออกแบบที่มีอิมพีแดนซ์สูง
การควบคุมเงินฝากปริมาณของบรรจุภัณฑ์แบบพิมพ์ควรถูกควบคุมอย่างเข้มงวด เนื่องจากการใช้บรรจุภัณฑ์เกินความจำเป็นหมายถึงการใช้ฟลักซ์มากเกินไปเครื่องพิมพ์/จ่ายสารแบบเจ็ต MYCRONICฝากพาสตีลงบนแผ่นรองทีละแผ่นในเลย์เอาต์ระยะพิ치ละเอียดและแบบผสมขนาด3D SPIยืนยันปริมาณเงินฝากก่อนทำการวางเงิน
โปรไฟล์การหลอมประสานโปรไฟล์บนของเราเตาอบรีโฟลว์ JTR-1200D-Nควรถูกกำหนดให้บรรลุการกระตุ้นฟลักซ์อย่างสมบูรณ์รวมถึงการสร้างรอยเชื่อมที่สมบูรณ์แข็งแรง
ไม่มีการทำความสะอาดแบบบางส่วนการทำความสะอาดคราบแบบเฉพาะจุดของฟลักซ์ชนิดไม่ต้องล้างออกด้วย IPA อาจทำให้เรซินป้องกันละลายและทำให้สารกระตุ้นแพร่กระจายออกไปในบริเวณที่กว้างขึ้น แผงวงจรควรได้รับการทำความสะอาดทั้งแผงด้วยกระบวนการที่ผ่านการตรวจรับรองแล้วหรือปล่อยไว้ตามสภาพหลังการบัดกรี
การทดสอบ ROSE: แสดงให้เห็นอะไรบ้าง และพลาดอะไรไป
การทดสอบ ROSE (Resistivity of Solvent Extract) ซึ่งกำหนดไว้ในมาตรฐาน IPC-TM-650 2.3.25 เป็นการสกัดคราบไอออนิกออกจากแอสเซมบลีทั้งหมด และรายงานผลเป็นค่าเทียบเท่า NaCl ต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่
สิ่งที่ ROSE ทำได้ดี:
มันตรวจจับการเบี่ยงเบนของกระบวนการในภาพรวมได้ เช่น การเปลี่ยนล็อตของวางประสานหรือการปนเปื้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการจัดการ
รองรับการติดตามแนวโน้มระหว่างล็อตได้ เมื่อมีการกำหนดค่ามาตรฐานพื้นฐานสำหรับบอร์ดและกระบวนการเฉพาะแล้ว
สิ่งที่ ROSE พลาด:
ขีดจำกัดที่มีการอ้างถึงกันอย่างแพร่หลายที่ 1.56 ไมโครกรัม/ตารางเซนติเมตร เทียบเท่า NaCl มีที่มาจากข้อกำหนดทางการทหารในยุคทศวรรษ 1970 นับตั้งแต่ Revision G Amendment 1 เป็นต้นมา IPC J-STD-001 ไม่ได้มองว่าค่านี้เป็นขีดจำกัดผ่าน/ไม่ผ่านแบบสากลอีกต่อไป แต่กำหนดให้ต้องมีหลักฐานเชิงประจักษ์ว่าระดับสารตกค้างนั้นยอมรับได้สำหรับผลิตภัณฑ์และกระบวนการเฉพาะนั้น
ROSE จะหาค่าเฉลี่ยทั้งบอร์ด ดังนั้นคราบตกค้างที่กระจุกตัวอยู่ใต้ QFN ตัวเดียวถัดจากตัวแบ่งแรงดัน 10 MΩ อาจถูกทำให้เจือจางจนต่ำกว่าขีดจำกัดการตรวจจับได้
กรดอินทรีย์อ่อนบางชนิดในคราบตกค้างแบบไม่ต้องทำความสะอาดละลายได้ไม่ดีในสารละลายทดสอบ ROSE มาตรฐาน
สำหรับการออกแบบที่มีความสำคัญต่อการรั่วไหล ผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) มักจะเพิ่มโครมาโทกราฟีไอออน(IPC-TM-650 2.3.28) หรือการทดสอบความต้านทานฉนวนผิวหน้า(IPC-TM-650 2.6.3.7) บนชุดทดสอบตัวแทนให้รวมอยู่ในแผนการรับรองคุณสมบัติของพวกเขา การทดสอบเหล่านี้มักดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการอิสระ กำหนดวิธีการทดสอบและเกณฑ์การยอมรับไว้ในเอกสารการสร้างของคุณเพื่อให้สามารถตรวจทานได้ในขั้นตอนการเสนอราคา
ตัวยึดแบตเตอรี่และคอนเน็กเตอร์: ข้อพิจารณาในการบัดกรีแบบ THT
เซ็นเซอร์อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ช่องใส่แบตเตอรี่แบบคอยน์เซลเจาะรูหรือตัวเชื่อมต่อแบตเตอรี่ เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยยึดทางกลได้อย่างมั่นคงแม้ขณะมีการสั่นสะเทือน ข้อต่อบัดกรีของอุปกรณ์เหล่านี้ก่อให้เกิดความท้าทายเฉพาะตัว
มวลความร้อนและการเติมรู
ขั้วสัมผัสของตัวยึดแบตเตอรี่โดยทั่วไปทำจากเหล็กชุบนิกเกิลหนาที่มีมวลความร้อนสูง หากความร้อนที่ป้อนไม่เพียงพอ อาจทำให้เกิดจุดบัดกรีเย็นและการเติมแนวรูไม่สมบูรณ์ สำหรับรูทะลุเคลือบผิว Class 2 และ Class 3 มาตรฐาน IPC-A-610 โดยทั่วไปกำหนดให้ต้องมีการเติมในแนวตั้งอย่างน้อย 75% โดยมีข้อยกเว้นในบางกรณี
ของเราระบบบัดกรีคลื่นแบบเลือกอัตโนมัติ (ZSWHPS-11-2 พร้อมการป้องกันด้วยไนโตรเจน)จัดการทั้งการป้อนความร้อนและคราบฟลักซ์
การตั้งค่าต่อข้อต่อมีการตั้งค่าอุณหภูมิอุ่นล่วงหน้าและเวลาแช่ความร้อนไว้สำหรับแต่ละจุดบัดกรี เพื่อให้หน้าสัมผัสแบตเตอรี่ที่มีมวลมากได้รับความร้อนเพียงพอโดยไม่ทำให้ชิ้นส่วน SMT ใกล้เคียงร้อนเกินไป
การป้องกันไนโตรเจนบรรยากาศไนโตรเจนช่วยลดการเกิดออกซิเดชันที่บริเวณรอยต่อประสานและช่วยปรับปรุงการเปียกตัวบนหน้าสัมผัสที่มีการชุบเคลือบ
การหลอมแบบเฉพาะจุดฟลักซ์ถูกใช้เฉพาะกับข้อต่อที่เลือกไว้แทนที่จะใช้ทั่วทั้งด้านล่างทั้งหมด ซึ่งช่วยจำกัดความเสี่ยงของการกระจายคราบตกค้างตามที่อธิบายไว้ข้างต้น
ข้อจำกัดของโครงตัวถังพลาสติก
ตัวยึดหลายชนิดมีโครงพลาสติกที่ทนความร้อนได้จำกัด ดังนั้นจึงควรตรวจสอบพารามิเตอร์การบัดกรีเทียบกับข้อกำหนดการบัดกรีของผู้ผลิตตัวยึด ไม่ใช่พิจารณาเฉพาะโปรไฟล์ทั่วไปของแผงวงจรเท่านั้น
การตรวจสอบ
3D AOIวัดความสูงของฟิลเลต์ การยื่นของขา การเชื่อมต่อกัน และมุมเอียงของตัวยึด มุมเอียงของตัวยึดเป็นสาเหตุทั่วไปที่ทำให้การสัมผัสของเซลล์ไม่ต่อเนื่อง
เอ็กซเรย์ออฟไลน์สามารถใช้เพื่อตรวจสอบการเติมถังในหน้าสัมผัสแบตเตอรี่ได้ AOI ไม่สามารถมองเข้าไปในรูได้ ดังนั้นนี่จึงเป็นวิธีสำหรับยืนยันการเติม
การตรวจสอบแบบวงปิดระบบ 3D SPI และ 3D AOI ของเราทำงานแบบวงปิด ดังนั้นผลการตรวจสอบจึงถูกส่งกลับไปยังขั้นตอนการพิมพ์บัดกรี ทำให้ข้อบกพร่องเดิมไม่เกิดซ้ำในล็อตเดียวกัน
การตรวจสอบย้อนกลับ
ของเราMES อัจฉริยะพร้อมการตรวจสอบย้อนกลับด้วย UID และการมาร์กด้วยเลเซอร์เชื่อมโยงบอร์ดแต่ละแผงที่ผ่านการทำซีเรียลไลซ์กับล็อตของวัสดุและบันทึกกระบวนการ หากหน่วยภาคสนามแสดงอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่สั้นลง บันทึกเหล่านี้จะช่วยจำกัดขอบเขตการตรวจสอบให้แคบลงไปยังล็อตหรือช่วงกระบวนการที่เฉพาะเจาะจง
ข้อเสนอแนะด้าน DFM สำหรับบอร์ดเซนเซอร์พลังงานต่ำ
แยกโหนดความอิมพีแดนซ์สูงออกเว้นระยะห่างให้เพียงพอรอบตัวแบ่งแรงดันในช่วงเมกะโอห์ม (MΩ) และขาพินของคริสตัล และเพิ่มวงแหวนป้องกัน (guard ring) เมื่อการออกแบบเอื้ออำนวย
แยกข้อต่อ THT ออกจากวงจรที่มีความไวต่อสัญญาณจัดวางตัวยึดแบตเตอรี่และชิ้นส่วนแบบทะลุรูอื่น ๆ ให้อยู่ห่างจากคริสตัล RTC และวงจรแบ่งแรงดันแบบอิมพีแดนซ์สูง
ระบุคลาสฟลักซ์บนแบบร่างการประกอบ ตัวอย่างเช่น “แบบไม่ต้องทำความสะอาด (no-clean), J-STD-004 ROL0 หรือ REL0” แทนที่จะใช้เพียงคำว่า “no-clean”
กำหนดข้อกำหนดด้านความสะอาดตามวิธีการระบุว่าการทดสอบใดใช้สำหรับการเฝ้าติดตามล็อต และการทดสอบใดใช้สำหรับการรับรองความเหมาะสมของกระบวนการ
เลือกตัวยึดที่เหมาะสมสำหรับการบัดกรีแบบเลือกจุดมองหาช่องว่างระหว่างขากับรูที่เพียงพอ และตัวเรือนที่มีการรับรองสำหรับอุณหภูมิการบัดกรีที่ต้องการ
ระบุคลาส IPC-A-610ที่ใช้กับข้อต่อหน้าสัมผัสของแบตเตอรี่
กำหนดเวลาที่ติดตั้งเซลล์หากต้องติดตั้งเซลล์หลังการส่งมอบ โปรดระบุในเอกสารการประกอบเพื่อไม่ให้ตัวยึดรับน้ำหนักระหว่างการประกอบ
ส่งโครงการแผงวงจร PCBA เซ็นเซอร์ของคุณ
PCBCart ผลิตแอสเซมบลีแผงวงจรแบบผสมรุ่นสูง ปริมาณต่ำ (high-mix, low-volume PCBA) สำหรับลูกค้าอุตสาหกรรม ภายใต้มาตรฐานระบบคุณภาพที่ได้รับการรับรองตาม IATF 16949 ส่งไฟล์ Gerber, BOM และข้อกำหนดการประกอบของคุณมาให้เรา วิศวกรของเราจะตรวจสอบการออกแบบของคุณในด้านความสามารถในการผลิตก่อนเริ่มการผลิต
ส่งโปรเจกต์เซนเซอร์ PCBA ของคุณเพื่อการประเมิน
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
วิธีทำความสะอาดแผงวงจรพิมพ์หลังการบัดกรีแบบติดตั้งผิวหน้า
