Introdução
Como centros principais da Internet das Coisas (IoT), os gateways de nível-industrial são amplamente implantados em ambientes hostis, como ambientes externos, subestações e fábricas. Esses ambientes estão frequentemente sujeitos a surtos-induzidos por raios e surtos de comutação de sistemas de energia, que podem gerar sobretensões instantâneas de até vários milhares de volts, normalmente com duração da ordem de microssegundos. Se a proteção falhar, a corrente intensa pode queimar instantaneamente os módulos de comunicação e os chips de controle principais do gateway. Para estabelecer uma blindagem eletromagnética, as interfaces dos gateways industriais são normalmente equipadas com circuitos de descarga que consistem em tubos de descarga de gás, varistores e diodos de supressão de tensão transitória. Durante o estágio de fabricação do PCBA, a qualidade da soldagem desses componentes de proteção contra surtos determina diretamente se todo o caminho de descarga pode suportar picos de corrente de alta-intensidade.
Caminhos de danos e mecanismos de proteção para chips principais de gateways industriais causados por surtos de raios
Quando um raio ocorre externamente, a energia transitória surge no gateway através da interface Ethernet, do barramento RS485 ou dos pinos da fonte de alimentação. Se a impedância do circuito de proteção for muito alta ou houver defeitos nas conexões físicas, o surto de tensão será aplicado diretamente nos pinos GPIO ou transceptores internos do chip de controle principal, causando sobrecarga elétrica e queimando a estrutura do semicondutor. Em um sistema de proteção abrangente, os componentes de proteção contra raios devem conduzir em microssegundos ou mesmo nanossegundos para desviar alta energia para o terra e limitar a tensão residual a uma faixa que o chip central possa suportar. Este caminho de descarga física exige que cada junta de solda no processo de fabricação de PCBA tenha resistência em série equivalente (ESR) extremamente baixa e indutância em série equivalente (ESL) extremamente baixa. Se uma junta de solda contém defeitos microscópicos que são difíceis de detectar a olho nu, quando submetida a um teste de corrente de surto padrão de 8/20 microssegundos, a área defeituosa pode derreter, rachar ou até mesmo fazer com que o próprio componente se solte da almofada devido ao superaquecimento localizado instantâneo (o efeito de aquecimento Joule), tornando a proteção subsequente completamente ineficaz.
O gargalo do processo de soldagem causado pela alta capacidade térmica dos componentes de proteção contra surtos
Para alcançar alta capacidade de{0}}transporte de corrente, os componentes de proteção contra surtos de nível-industrial geralmente apresentam pacotes de grande-volume, cabos grossos ou placas de dissipação de calor-de grande área-. Por exemplo, diodos TVS de alta-potência geralmente usam pacotes SMB ou SMC, enquanto tubos de descarga de gás cerâmicos apresentam eletrodos grossos de metal pesado. Estas características físicas resultam em severas irregularidades na capacidade térmica durante oSoldagem por refluxo SMTestágio. Como os dispositivos de proteção contra surtos absorvem uma enorme quantidade de calor, o aumento de temperatura nesta área é significativamente mais lento do que o dos pequenos resistores e capacitores de montagem em superfície ao redor. Se perfis convencionais de temperatura de forno usados em produtos eletrônicos de consumo forem aplicados durante a fabricação de PCBA, é altamente provável que a pasta de solda nos terminais dos dispositivos de proteção contra surtos não derreta completamente, ou que uma camada de composto intermetálico (IMC) uniformemente espessa não se forme entre os terminais e as almofadas de PCB. Essa condição-em que a superfície parece estar coberta, mas o interior na verdade não é eutético, resultando em juntas de solda fria ou solda fria-representa o maior risco para gateways de nível-industrial durante testes subsequentes de picos de-alta tensão.
Otimizando parâmetros de soldagem por refluxo e controle de camada de liga microestrutural
Para superar defeitos de soldagem em componentes com alta massa térmica, os engenheiros de processo devem ajustar com precisão a distribuição de temperatura da solda-por refluxo sem chumbo e estabelecer uma janela de temperatura dedicada. Para placas de circuito contendo componentes de proteção contra surtos de alta-corrente, as zonas de pré-aquecimento e equalização do processo de refluxo devem ser estendidas adequadamente. Na zona de equalização de temperatura (160 graus a 190 graus), a duração deve ser mantida por 100 a 120 segundos para permitir que os fios de metal grosso tenham tempo suficiente para absorver o calor e minimizar as diferenças de temperatura em toda a placa. Ao entrar na zona de soldagem, o pico de temperatura deve ser rigorosamente controlado entre 242 graus e 248 graus, garantindo que os terminais dos dispositivos de proteção contra surtos permaneçam acima da linha liquidus (217 graus) por 65 a 75 segundos. A entrada precisa de energia permite que os componentes ativos da pasta de solda funcionem plenamente, promovendo a formação de uma camada de composto intermetálico ideal (IMC) com espessura de 1 a 3 micrômetros entre as almofadas de cobre e a liga de estanho. Isso garante que as juntas de solda não apenas apresentem boa condutividade elétrica, mas também possuam a resistência mecânica à tração necessária para suportar altos picos de corrente.
Projeto de precisão de malha de aço e controle rigoroso de porosidade
Para dispositivos de proteção contra raios, a porosidade nas juntas de solda é crítica para a capacidade-de transporte de corrente. A porosidade excessiva reduz a área da seção transversal-condutiva efetiva da junta de solda. Quando correntes de surto de vários amperes ou mesmo dezenas de amperes fluem, áreas com alta porosidade podem sofrer eletromigração localizada e fuga térmica devido a um aumento repentino na densidade de corrente. O controle de qualidade deve abordar simultaneamente o design do estêncil e a seleção da pasta de solda. Para dispositivos de proteção contra surtos com placas dissipadoras de-áreas de calor-grandes, projetos com aberturas-de áreas sólidas são estritamente proibidos; em vez disso, um padrão de aberturas em forma de grade ou xadrez deve ser adotado, com a proporção de área aberta normalmente limitada entre 65% e 75% para garantir canais suficientes para o gás de fluxo escapar durante a soldagem por refluxo. Na unidade de fabricação do PCBA, Equipamento-de inspeção por raios X deve ser implantado para realizar testes 100% não{1}}destrutivos em componentes de proteção contra surtos. Os critérios de aceitação de qualidade estipulam que a área de qualquer vazio único dentro de uma junta de solda de componente de proteção contra surtos não deve exceder 10%, e a taxa total de vazios deve ser estritamente limitada a 15% ou menos, eliminando assim quaisquer pontos potenciais de concentração de corrente.
Melhorar a resistência a descargas atmosféricas de gateways de nível-industrial não é apenas uma prova da experiência em design de circuitos, mas também o culminar de processos de fabricação-de alto padrão. Cada junta de solda que resiste a testes rigorosos é um trampolim para a operação estável de produtos de alta-qualidade.
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