Введение
Являясь основными узлами Интернета вещей (IoT), шлюзы промышленного-класса широко используются в суровых условиях, например на открытом воздухе, на подстанциях и на заводах. Эти среды часто подвержены импульсам, вызванным молниями-, и импульсам переключения в энергосистемах, которые могут генерировать мгновенные перенапряжения до нескольких тысяч вольт, обычно длящиеся порядка микросекунд. Если защита не сработает, сильный ток может мгновенно сжечь коммуникационные модули шлюза и основные микросхемы управления. Для создания электромагнитного экрана интерфейсы промышленных шлюзов обычно оснащаются разрядными цепями, состоящими из газоразрядных трубок, варисторов и диодов подавления переходных напряжений. На этапе производства печатных плат качество пайки этих компонентов защиты от перенапряжения напрямую определяет, сможет ли весь путь разряда выдерживать скачки тока высокой-интенсивности.
Пути повреждения и механизмы защиты основных чипов промышленных шлюзов от грозовых перенапряжений
Когда удар молнии происходит снаружи, кратковременная импульсная энергия попадает в шлюз через интерфейс Ethernet, шину RS485 или контакты источника питания. Если импеданс схемы защиты слишком высок или имеются дефекты в физических соединениях, импульсное напряжение будет напрямую приложено к контактам GPIO или внутренним приемопередатчикам основной микросхемы управления, вызывая электрическую перегрузку и выгорание полупроводниковой структуры. В комплексной системе защиты компоненты молниезащиты должны проводить ток в течение микросекунд или даже наносекунд, чтобы отвести высокую энергию на землю и ограничить остаточное напряжение до диапазона, который может выдержать основной чип. Этот физический путь разряда требует, чтобы каждое паяное соединение в процессе производства печатных плат имело чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и чрезвычайно низкую эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Если паяное соединение содержит микроскопические дефекты, которые трудно обнаружить невооруженным глазом, то при воздействии стандартного испытательного импульсного тока длительностью 8/20 микросекунд дефектный участок может расплавиться, растрескаться или даже привести к отсоединению самого компонента от площадки из-за мгновенного локального перегрева (эффект Джоулевого нагрева), что делает последующую защиту совершенно неэффективной.
Узкое место в процессе пайки, вызванное высокой теплоемкостью компонентов защиты от перенапряжений
Для достижения высокой -нагрузочной способности компоненты защиты от перенапряжения промышленного-класса часто имеют корпусы большого-объема, толстые выводы или пластины большой-площади,-рассеивающие тепло. Например, в-мощных TVS-диодах обычно используются корпуса SMB или SMC, а в керамических газоразрядных трубках используются толстые электроды из тяжелого металла. Эти физические характеристики приводят к серьезной неравномерности теплоемкости во время работы.SMT пайка оплавлениемэтап. Поскольку устройства защиты от перенапряжения поглощают огромное количество тепла, повышение температуры в этой области происходит значительно медленнее, чем у окружающих небольших резисторов и конденсаторов для поверхностного-монтажа. Если при производстве печатных плат применяются обычные температурные профили печи, используемые в бытовой электронике, весьма вероятно, что паяльная паста на выводах устройств защиты от перенапряжения не расплавится полностью или что слой интерметаллического соединения (IMC) одинаковой толщины не сможет образоваться между выводами и контактными площадками печатной платы. Это состояние,-когда поверхность кажется покрытой, но внутренняя часть на самом деле не является эвтектической, что приводит к образованию соединений холодной пайки или холодной пайки,-представляет наибольший риск для шлюзов промышленного-класса во время последующих испытаний на перенапряжение-перенапряжением.
Оптимизация параметров пайки оплавлением и контроль микроструктурного слоя сплава
Чтобы устранить дефекты пайки в компонентах с высокой термической массой, инженеры-технологи должны точно регулировать распределение температуры при пайке оплавлением-без свинца и устанавливать специальный температурный диапазон. Для печатных плат, содержащих компоненты защиты от перенапряжений,-высокоточные, зоны предварительного нагрева и выравнивания процесса оплавления должны быть соответствующим образом расширены. В зоне выравнивания температуры (от 160 до 190 градусов) продолжительность должна поддерживаться от 100 до 120 секунд, чтобы у толстых металлических выводов было достаточно времени для поглощения тепла и минимизации разницы температур по всей плате. При входе в зону пайки пиковая температура должна строго контролироваться в пределах 242–248 градусов, обеспечивая, чтобы выводы устройств защиты от перенапряжения оставались выше линии ликвидуса (217 градусов) в течение 65–75 секунд. Точная подача энергии позволяет активным компонентам паяльной пасты функционировать в полной мере, способствуя образованию идеального слоя интерметаллического соединения (IMC) толщиной от 1 до 3 микрометров между медными контактными площадками и оловянным сплавом. Это гарантирует, что паяные соединения не только обладают хорошей электропроводностью, но и обладают механической прочностью на разрыв, необходимой для того, чтобы выдерживать высокие-скачки тока.
Прецизионное проектирование стальной сетки и строгий контроль пористости
Для устройств молниезащиты пористость паяных соединений имеет решающее значение для их -токовой допустимой нагрузки. Чрезмерная пористость уменьшает эффективную проводящую площадь поперечного сечения паяного соединения. Когда проходят импульсные токи в несколько ампер или даже десятков ампер, в областях с высокой пористостью могут возникнуть локальная электромиграция и тепловой выход из-за внезапного скачка плотности тока. Контроль качества должен одновременно охватывать как дизайн трафарета, так и выбор паяльной пасты. Для устройств защиты от перенапряжения с пластинами, рассеивающими тепло-по площади-, строго запрещено использовать конструкции со сплошными-отверстиями; вместо этого необходимо использовать сетку- или шахматный рисунок отверстий, при этом коэффициент открытой площади обычно ограничивается от 65% до 75%, чтобы обеспечить достаточные каналы для выхода флюсового газа во время пайки оплавлением. На заводе по производству печатных плат Оборудование для рентгеновского-контроля должен быть развернут для проведения 100 % неразрушающего тестирования компонентов защиты от перенапряжений. Критерии приемлемости качества предусматривают, что площадь любой отдельной пустоты внутри паяного соединения компонента защиты от перенапряжения не должна превышать 10 %, а общая доля пустот должна быть строго ограничена 15 % или менее, тем самым исключая любые потенциальные точки концентрации тока.
Повышение устойчивости шлюзов промышленного-класса к перенапряжению — это не только свидетельство профессионализма в проектировании схем, но и кульминация высоких-стандартных производственных процессов. Каждое паяное соединение, выдержавшее строгие испытания, является ступенькой к стабильной работе высококачественной-продукции.
Краткие факты о NeoDen
1) Основана в 2010 году, 200 + сотрудников, 27000+ кв.м. фабрика.
2) Продукты NeoDen: машины PnP разных серий: NeoDen YY1, NeoDen4, NeoDen5, NeoDen K1830, NeoDen9, NeoDen N10P. Печь для оплавления серии IN, как и полная линия SMT, включает в себя все необходимое оборудование для SMT.
3) Успешные клиенты 10000+ по всему миру.
4) 40+ Глобальные агенты в Азии, Европе, Америке, Океании и Африке.
5) Центр исследований и разработок: 3 отдела исследований и разработок, в которых работают 25+ профессиональные инженеры по исследованиям и разработкам.
6) Внесен в список CE и получил 70+ патентов.
7) 30+ инженеры по контролю качества и технической поддержке, 15+ старшие специалисты по международным продажам, за своевременное реагирование клиентов в течение 8 часов и предоставление профессиональных решений в течение 24 часов.