อุปกรณ์ไร้สายสำหรับงานอุตสาหกรรม เช่น เกตเวย์ โหนดเซนเซอร์ และโมดูล I/O ระยะไกล รวมเอาวิทยุ เรกูเลเตอร์สวิตชิ่ง และวงจรดิจิทัลความเร็วสูงไว้ในกล่องหุ้มขนาดเล็ก ประสิทธิภาพด้าน EMC มักถูกกำหนดตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบเลย์เอาต์และโครงสร้างกล่องหุ้ม แต่การออกแบบที่ดูเหมือนถูกต้องบนกระดาษก็อาจไม่ผ่านการทดสอบก่อนขอการรับรองได้อยู่ดี เนื่องจากความแปรผันเล็กน้อยในการประกอบที่ไม่มีใครมองเห็นในสายการผลิต
บทความนี้กล่าวถึงปัจจัยเสี่ยงด้าน EMC ที่กระบวนการประกอบอาจก่อให้เกิดขึ้นหรือช่วยป้องกันได้ รวมถึงแนวทางการตรวจสอบและการตรวจชิ้นงานตัวอย่างแรกซึ่งช่วยตรวจจับปัจจัยเหล่านั้นได้ตั้งแต่เนิ่นๆ บทความนี้ไม่ได้ครอบคลุมการทดสอบการรับรอง EMC ซึ่งดำเนินการโดยผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) หรือห้องปฏิบัติการบุคคลที่สามที่มีคุณสมบัติเหมาะสม
สิ่งที่แอสเซมบลีสามารถและไม่สามารถควบคุมได้
การประกอบไม่สามารถแก้ไขได้การออกแบบเส้นทางกลับที่ไม่ดีโทโพโลยีตัวกรองที่มีส่วนเผื่อจำกัด หรือรอยต่อของโครงตู้หุ้มที่ไม่เพียงพอ อย่างไรก็ตาม มันสามารถทำให้แน่ใจได้ว่าแผงวงจรตรงตามเจตนาของการออกแบบ: มีการเชื่อมต่อกราวด์ครบทุกจุด โล่ป้องกันทุกชิ้นติดตั้งเรียบร้อย ส่วนประกอบการดีคัปปลิงและการกรองทุกชิ้นมีอยู่ วางตำแหน่งถูกต้อง และบัดกรีอย่างถูกต้อง
บอร์ดที่เบี่ยงเบนไปจากเจตนาการออกแบบในลักษณะใดลักษณะหนึ่งดังกล่าว อาจผ่านการทดสอบการทำงานได้ แต่ยังแผ่รังสีหรือคัปปลิงสัญญาณรบกวนแตกต่างจากบอร์ดตัวอย่างวิศวกรรม ส่งผลให้ผลการทดสอบก่อนการรับรองเป็นเรื่องที่ตีความได้ยาก เพราะวิศวกรไม่สามารถบอกได้ว่าความล้มเหลวที่เกิดขึ้นเป็นปัญหาด้านการออกแบบหรือปัญหาด้านการผลิต
ปัจจัยเสี่ยง EMC ที่เกิดจากการประกอบ
ความสมบูรณ์ของการบัดกรีผ่านกราวด์และขากราวด์
เส้นทางกลับที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำขึ้นอยู่กับการที่การเชื่อมต่อกราวด์สมบูรณ์ ในกระบวนการประกอบ จุดล้มเหลวที่เกี่ยวข้องได้แก่:
ปลอกตัวเชื่อมต่อแบบรูทะลุ แท็บฉนวนป้องกันสัญญาณรบกวน และขาเชื่อมต่อกราวด์ที่มีการเติมประสานในรูไม่เพียงพอ
แผ่นกราวด์เปลือยบนแพ็กเกจ QFN และแพ็กเกจที่คล้ายกันซึ่งมีฟองอากาศภายในมากเกินไปหรือกระจายตัวได้ไม่ดี
แผ่นรองที่ต่อกับกราวด์ซึ่งการพิมพ์บัดกรีเพสต์อยู่ในระดับขอบเขต
ข้อต่อที่มีความต่อเนื่องทางไฟฟ้าแต่มีความแข็งแรงเชิงกลหรือเชิงความร้อนต่ำ อาจเพิ่มค่าความอิมพีแดนซ์ต่อกราวด์ได้ และยากต่อการตรวจพบด้วยการตรวจสอบด้วยสายตา สำหรับฟีเจอร์การต่อลงกราวด์แบบรูทะลุ การบัดกรีแบบคลื่นเฉพาะจุดอัตโนมัติร่วมกับการปกป้องด้วยไนโตรเจนจะช่วยรองรับการเติมดีบุกในรูที่ทำซ้ำได้ สำหรับข้อต่อที่ซ่อนไว้เอ็กซ์เรย์ออฟไลน์ที่รองรับมุมเอียงอนุญาตให้ประเมินช่องว่างและการเติมภายใต้แพ็คเกจ QFN และ BGA
การจัดวางกระป๋องป้องกันและการควบคุมช่องว่าง
กระป๋องป้องกันคลื่นความถี่วิทยุจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อติดตั้งราบเรียบและสัมผัสกันอย่างต่อเนื่องรอบขอบทั้งหมด แหล่งที่ทำให้เกิดช่องว่างในขั้นตอนการประกอบได้แก่:
การเยื้องตำแหน่งหรือการหมุน
การเอียงของชิ้นส่วนระหว่างการรีโฟลว์
การโก่งตัวของแผ่นที่ยกมุมของกรอบขึ้น
การทำงานซ่อมแซมที่รบกวนแผ่นป้องกันที่ติดตั้งไว้ก่อนหน้า
ช่องว่างที่เกิดขึ้นโดยไม่ตั้งใจทำหน้าที่เป็นช่องที่สามารถรั่วไหลพลังงานได้ที่ความถี่ซึ่งสัมพันธ์กับความยาวของมัน การควบคุมการบิดงอระหว่างการรีโฟลว์จึงเป็นส่วนหนึ่งของการจัดการความเสี่ยงด้าน EMC ไม่ใช่เพียงแค่ประเด็นเรื่องความราบเดียวเท่านั้นอุปกรณ์ติดตั้งหินสังเคราะห์ช่วยให้บอร์ดที่บางหรือไม่สมมาตรยังคงแบนราบระหว่างการประมวลผลด้วยความร้อน และเตาอบรีโฟลว์แบบหลายโซนอย่างรุ่น JTR-1200D-N ช่วยให้สามารถปรับโปรไฟล์ให้เหมาะกับมวลความร้อนที่หลากหลายได้ ทำให้เฟรมชิลด์ขนาดใหญ่และชิ้นส่วนพาสซีฟขนาดเล็กสามารถถึงอุณหภูมิรีโฟลว์พร้อมกัน
ข้อต่อของแผงป้องกัน โดยเฉพาะบริเวณมุม ควรกำหนดเกณฑ์การตรวจสอบอย่างชัดเจน แทนการตัดสินแบบทั่วไปว่า “ติดตั้งได้”
การละการเชื่อมโยงและการละเว้นส่วนประกอบกรองและออฟเซ็ต
คาปาซิเตอร์สำหรับการแยกสัญญาณ (decoupling capacitors), บีดเฟอร์ไรต์ และอุปกรณ์กรองสัญญาณ RF เป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กและมีจำนวนมาก และยังเป็นชิ้นส่วนที่มีโอกาสสูงที่สุดที่จะถูกข้ามไปเนื่องจากความผิดพลาดของตัวป้อน (feeder error) หรือถูกเลื่อนตำแหน่งเพราะปัญหาของบัดกรีแบบพิมพ์หรือการจัดวางชิ้นส่วน คาปาซิเตอร์ขนาด 0402 หรือ 0201 ที่หายไปมักไม่ทำให้เกิดความล้มเหลวในการทำงาน อย่างไรก็ตาม มันอาจทำให้สัญญาณรบกวนบนรางจ่ายไฟเพิ่มขึ้นหรือทำให้ฟิลเตอร์อ่อนกำลังลงโดยไม่มีอาการผิดปกติที่เห็นได้ชัด ส่งผลให้ข้อบกพร่องดังกล่าวผ่านไปจนถึงขั้นตอนการวัด EMC ในฐานะ “ปัญหาด้านการออกแบบ”
ตำแหน่งก็สำคัญเช่นกัน คาปาซิเตอร์สำหรับการดีคัปปลิงที่ถูกเลื่อนออกจากแผดของมัน จะสูญเสียประโยชน์ด้านพื้นที่ลูปบางส่วนที่เลย์เอาต์ถูกออกแบบมาเพื่อให้ได้มา การเยื้องตำแหน่งและการยกตัวแบบ “tombstoning” บนชิ้นส่วนเหล่านี้ควรถูกมองว่าเป็นข้อบกพร่องด้านการทำงาน ไม่ใช่ข้อบกพร่องด้านความสวยงาม
ตำแหน่งของ 3D AOI: การยืนยันการมีอยู่และตำแหน่ง
ความเสี่ยงของการละเว้นส่วนประกอบคือมันจะมองไม่เห็นในกระบวนการถัดไป เมื่อบอร์ดผ่านกระบวนการรีโฟลว์แล้ว การทดสอบการทำงานมาตรฐานจะไม่สามารถยืนยันได้ว่ามีตัวเก็บประจุบายพาสทุกตัวครบถ้วน นี่คือจุดที่การออกแบบกระบวนการตรวจสอบมีความสำคัญ
AOI 3 มิติสามารถตรวจสอบได้ สำหรับชิ้นส่วนการแยกและการกรองที่มีความสำคัญ:
การปรากฏตัวคอมโพเนนต์อยู่บนแผ่นรองของมัน ไม่ได้หายไป
ตำแหน่งและการหมุนการเยื้องสัมพันธ์กับแผ่นรองอยู่ภายในขีดจำกัดที่กำหนด
ขั้วหรือทิศทางที่ซึ่งชิ้นส่วนถูกโพลาไรซ์
การก่อตัวของจุดเชื่อมบัดกรีรูปร่างฟิลเลต์และการเปียกบนปลายทั้งสองด้าน
ขั้นตอนปฏิบัติที่เป็นรูปธรรมคือการจัดประเภทชิ้นส่วนที่มีความสำคัญต่อ EMC ในโปรแกรม AOI เพื่อให้การตรวจสอบการมีอยู่ของชิ้นส่วนเหล่านั้นใช้เกณฑ์ที่เข้มงวดและผ่านการทบทวน แทนที่จะใช้ค่าเกณฑ์เริ่มต้นทั่วไป เมื่อผสานรวมกับระบบ 3D SPI ต้นกระบวนการ กระบวนการจะกลายเป็นวงปิด: ปัญหาปริมาตรและการจัดแนวของครีมประสานที่อาจทำให้เกิดการโก่งตัวหรือการเลื่อนของชิ้นส่วนขนาดเล็กจะถูกตรวจพบและแก้ไขก่อนการรีโฟลว์ ไม่ใช่หลังจากนั้น การพิมพ์เจ็ตและการจ่ายครีมประสานด้วยระบบ MYCRONIC ยังสามารถช่วยในแผงวงจรที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งการพิมพ์ผ่านสเตนซิลทำได้ยากในบริเวณที่มีชิ้นส่วนสูง
ผลการตรวจสอบจะมีความหมายก็เท่ากับเกณฑ์ที่ใช้รองรับเท่านั้น กำหนดให้ชัดเจนว่าชิ้นส่วนใดถือว่าเป็นองค์ประกอบสำคัญต่อ EMC ก่อนที่จะเขียนโปรแกรม ไม่ใช่หลังจากเกิดข้อผิดพลาดครั้งแรก
การยืนยันชิ้นงานแรก: การเพิ่มการตรวจสอบที่สำคัญต่อ EMC
การตรวจสอบชิ้นงานแรกเป็นสถานที่ตามธรรมชาติสำหรับยืนยันเจตนารมณ์ของการออกแบบ เนื่องจากยูนิตถัด ๆ ไปทั้งหมดจะสืบทอดสิ่งที่ได้รับการยืนยันในที่นี้ สำหรับบอร์ดไร้สายอุตสาหกรรม โปรดพิจารณาเพิ่มรายการต่อไปนี้ในเช็กลิสต์ตัวอย่างชิ้นงานแรกมาตรฐาน:
รายการส่วนประกอบที่มีความสำคัญต่อ EMC:รายการสั้น ๆ ที่จัดเตรียมโดยทีมออกแบบ ซึ่งประกอบด้วยชิ้นส่วนสำหรับการแยกการเชื่อมต่อ การกรอง เฟอร์ไรต์ และการป้องกันสัญญาณรบกวน ที่ต้องได้รับการตรวจสอบทีละรายการเทียบกับ BOM และแบบแปลนการวางอุปกรณ์
ที่นั่งป้องกันการยืนยันด้วยการตรวจสอบด้วยสายตาและการวัดแบบสามมิติว่ากรอบวางราบเรียบ ไม่มีการยกตัวให้เห็นได้ที่มุมหรือขอบ
การต่อสายดิน:การตรวจสอบการเติมรูบนคุณลักษณะรูทะลุที่ต่อกราวด์ และการตรวจสอบด้วยเอกซเรย์ของแผ่นกราวด์ใต้แพ็กเกจ QFN
พื้นที่ห้ามวางเสาอากาศและ RFการยืนยันว่าไม่มีชิ้นส่วน เศษตกค้าง หรือบริเวณที่ไวต่อการเคลือบผิวแบบคอนฟอร์มอลที่ไม่ตั้งใจปรากฏอยู่ในตำแหน่งที่แบบการออกแบบกำหนดให้ต้องไม่มีสิ่งใดอยู่
ความคลาดเคลื่อนของข้อมูลอ้างอิงการเปลี่ยนตัวเลือกที่ผ่านการอนุมัติใด ๆ บนตัวกรองหรือตัวแยกสัญญาณ เช่น การใช้วัสดุไดอิเล็กทริกชนิดอื่นหรือผู้ผลิตรายอื่น จะต้องมีการบันทึกเอกสารและแจ้งให้ทีมออกแบบทราบก่อนการผลิตในปริมาณมาก
เป้าหมายไม่ใช่การเพิ่มงานเอกสาร แต่เพื่อให้แน่ใจว่าคำถามที่เกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับ EMC จะถูกถามเพียงครั้งเดียว ตั้งแต่เริ่มต้น โดยมีเจ้าของการออกแบบมีส่วนร่วม
ประมวลผลบันทึกที่สนับสนุนการวิเคราะห์ก่อนการปฏิบัติตามข้อกำหนด
เมื่อบอร์ดไม่ผ่านการทดสอบก่อน认证 คำถามแรกคือมันแตกต่างจากบอร์ดที่เคยผ่านการทดสอบหรือไม่MES อัจฉริยะพร้อมความสามารถในการติดตามย้อนกลับด้วย UID และการมาร์กด้วยเลเซอร์เชื่อมโยงบอร์ดแต่ละแผงเข้ากับล็อตของคอมโพเนนต์ พารามิเตอร์กระบวนการ และผลการตรวจสอบ หากยูนิตใดมีพฤติกรรมแตกต่างออกไป วิศวกรสามารถเปรียบเทียบบันทึกการผลิตกับยูนิตที่ทำงานได้ดี
สิ่งเหล่านี้เป็นความสามารถด้านบันทึกการผลิตและกระบวนการผลิต ไม่ใช่การรับรองด้านมาตรวิทยาหรือการสอบเทียบ และไม่ใช่การรับรองห้องปฏิบัติการทดสอบ EMC การทดสอบ EMC อย่างเป็นทางการและคำรับรองใด ๆ ที่ตามมาจะยังคงเป็นความรับผิดชอบของผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) และห้องปฏิบัติการที่มีคุณสมบัติของตน
รายการตรวจสอบความเสี่ยง EMC ในขั้นตอนการประกอบ
ใช้รายการนี้ก่อน发布การออกแบบระบบไร้สายอุตสาหกรรมเพื่อเข้าสู่ขั้นตอนการประกอบ:
ส่วนประกอบการดีคัพลิง การกรอง และเฟอร์ไรต์ที่สำคัญต่อ EMC ได้รับการระบุและทำเครื่องหมายไว้ใน BOM
กำหนดเกณฑ์ AOI แบบ 3D สำหรับการมีอยู่และการเยื้องของชิ้นส่วนเหล่านั้น
กรอบและกระป๋องสำหรับป้องกันที่ระบุด้วยข้อกำหนดการตรวจสอบบริเวณที่นั่งและรอยต่อมุม
ตรวจพบคุณลักษณะรูทะลุที่ต่อกราวด์และแผ่นกราวด์ของ QFN สำหรับการอุดรูและการตรวจด้วยเอกซเรย์
ตรวจสอบบริเวณที่อ่อนไหวต่อการบิดงอ โดยเฉพาะบริเวณรอบกรอบชิลด์ เพื่อรองรับด้วยฟิกซ์เจอร์
ระบุเขตห้ามติดตั้งเสาอากาศและโซน RF ไว้บนแบบการประกอบ
จำกัดการทำงานซ่อมแซมใหม่ตามที่ได้ตกลงไว้สำหรับพื้นที่ที่มีการป้องกันและการกรอง
รายการตรวจสอบชิ้นงานตัวอย่างแรก ขยายเพิ่มเติมด้วยรายการสำคัญด้าน EMC
มีกฎการทดแทนที่ได้รับการอนุมัติซึ่งมีการบันทึกไว้สำหรับส่วนของฟิลเตอร์และส่วนการแยกสัญญาณ
ระดับการตรวจสอบย้อนกลับได้รับการตกลงแล้ว เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบบันทึกการสร้างได้หากผลก่อนการปฏิบัติตามข้อกำหนดมีความแตกต่าง
หากคุณกำลังเตรียมการออกแบบระบบไร้สายสำหรับงานอุตสาหกรรมเพื่อเข้าสู่ขั้นตอนการผลิต PCBCart สามารถตรวจสอบไฟล์ของคุณตามปัจจัยในขั้นตอนการประกอบเหล่านี้ได้ รวมถึงการยืนยันความถูกต้องของคอมโพเนนต์ที่มีความสำคัญต่อ EMC ก่อนที่การผลิตจะเริ่มต้นส่งโปรเจกต์ของคุณเพื่อตรวจทานก่อนการผลิต (DFM)พร้อมกับเอกสาร BOM ของคุณ แบบภาพประกอบการประกอบ และรายการชิ้นส่วนที่มีความสำคัญต่อ EMC ทั้งหมด
แหล่งข้อมูลที่มีประโยชน์
•การรับประกันความสำเร็จตั้งแต่ครั้งแรกในการออกแบบ PCB ด้าน EMC
•การออกแบบแผงวงจรพิมพ์สำหรับวงจรความถี่วิทยุและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า
•รายการตรวจสอบ DFM สำหรับ PCBA อุตสาหกรรม: กฎการออกแบบ 38 ข้อที่ช่วยลดอัตราการทำงานซ้ำได้มากกว่า 40%
•การเปรียบเทียบ AOI, ICT และ AXI และช่วงเวลาที่ควรใช้ในกระบวนการประกอบ PCB SMT
