कोर चिप्स के लिए सर्ज प्रोटेक्शन: औद्योगिक में सर्ज प्रोटेक्शन घटकों की उच्च - मानक सोल्डरिंग ग्रेड गेटवेज़

परिचय

इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) के मुख्य केंद्र के रूप में, औद्योगिक - ग्रेड गेटवे व्यापक रूप से बाहरी वातावरण, सबस्टेशन और कारखानों जैसे कठोर वातावरण में तैनात किए जाते हैं। ये वातावरण अक्सर बिजली से प्रेरित उछाल और बिजली प्रणालियों से स्विचिंग उछाल के अधीन होते हैं, जो कई हजार वोल्ट तक के तात्कालिक ओवरवॉल्टेज उत्पन्न कर सकते हैं, जो आमतौर पर माइक्रोसेकंड के क्रम पर रहते हैं। यदि सुरक्षा विफल हो जाती है, तो तीव्र धारा तुरंत गेटवे के संचार मॉड्यूल और कोर नियंत्रण चिप्स को जला सकती है। विद्युत चुम्बकीय ढाल स्थापित करने के लिए, औद्योगिक गेटवे के इंटरफेस आमतौर पर गैस डिस्चार्ज ट्यूब, वेरिस्टर और क्षणिक वोल्टेज दमन डायोड से युक्त डिस्चार्ज सर्किट से सुसज्जित होते हैं। पीसीबीए विनिर्माण चरण के दौरान, इन सर्ज सुरक्षा घटकों की सोल्डरिंग गुणवत्ता सीधे यह निर्धारित करती है कि संपूर्ण डिस्चार्ज पथ उच्च तीव्रता वाले वर्तमान उछाल का सामना कर सकता है या नहीं।

बिजली गिरने से औद्योगिक गेटवे कोर चिप्स को होने वाले नुकसान के रास्ते और सुरक्षा तंत्र

जब बाहरी बिजली गिरती है, तो क्षणिक वृद्धि ऊर्जा ईथरनेट इंटरफेस, आरएस485 बस, या बिजली आपूर्ति पिन के माध्यम से गेटवे में प्रवेश करती है। यदि सुरक्षा सर्किट की प्रतिबाधा बहुत अधिक है या भौतिक कनेक्शन में दोष हैं, तो सर्ज वोल्टेज सीधे GPIO पिन या मुख्य नियंत्रण चिप के आंतरिक ट्रांसीवर पर लागू होगा, जिससे विद्युत अधिभार होगा और अर्धचालक संरचना जल जाएगी। एक व्यापक सुरक्षा प्रणाली में, बिजली संरक्षण घटकों को उच्च ऊर्जा को जमीन पर मोड़ने और अवशिष्ट वोल्टेज को उस सीमा तक सीमित करने के लिए माइक्रोसेकंड या यहां तक ​​कि नैनोसेकंड के भीतर संचालन करना चाहिए कि कोर चिप झेल सके। इस भौतिक डिस्चार्ज पथ के लिए आवश्यक है कि पीसीबीए निर्माण प्रक्रिया में प्रत्येक सोल्डर जोड़ में बेहद कम समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध (ईएसआर) और बेहद कम समतुल्य श्रृंखला अधिष्ठापन (ईएसएल) हो। यदि सोल्डर जोड़ में सूक्ष्म दोष होते हैं जिन्हें नग्न आंखों से पता लगाना मुश्किल होता है, तो मानक 8/20 माइक्रोसेकंड सर्ज टेस्ट करंट के अधीन होने पर, दोषपूर्ण क्षेत्र पिघल सकता है, टूट सकता है, या यहां तक ​​कि तात्कालिक स्थानीय ओवरहीटिंग (जूल हीटिंग प्रभाव) के कारण घटक स्वयं पैड से अलग हो सकता है, जिससे बाद की सुरक्षा पूरी तरह से अप्रभावी हो जाती है।

सर्ज प्रोटेक्शन घटकों की उच्च तापीय क्षमता के कारण सोल्डरिंग प्रक्रिया में बाधा

उच्च विद्युत धारा वहन करने की क्षमता प्राप्त करने के लिए, औद्योगिक {{1} ग्रेड सर्ज सुरक्षा घटकों में अक्सर बड़े {{2} वॉल्यूम पैकेज, मोटी लीड, या बड़े {{3} क्षेत्र की गर्मी {{4} नष्ट करने वाले पैड की सुविधा होती है। उदाहरण के लिए, उच्च शक्ति वाले टीवीएस डायोड आमतौर पर एसएमबी या एसएमसी पैकेज का उपयोग करते हैं, जबकि सिरेमिक गैस डिस्चार्ज ट्यूब में मोटे, भारी धातु इलेक्ट्रोड होते हैं। इन भौतिक विशेषताओं के परिणामस्वरूप तापीय क्षमता में गंभीर असमानता होती हैएसएमटी रिफ्लो सोल्डरिंगअवस्था। क्योंकि सर्ज प्रोटेक्शन उपकरण बड़ी मात्रा में गर्मी को अवशोषित करते हैं, इसलिए इस क्षेत्र में तापमान वृद्धि आसपास की छोटी सतह माउंट रेसिस्टर्स और कैपेसिटर की तुलना में काफी धीमी है। यदि पीसीबीए निर्माण के दौरान उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक ओवन तापमान प्रोफाइल को लागू किया जाता है, तो यह अत्यधिक संभावना है कि सर्ज प्रोटेक्शन उपकरणों के लीड पर सोल्डर पेस्ट पूरी तरह से पिघल नहीं पाएगा, या लीड और पीसीबी पैड के बीच एक समान रूप से मोटी इंटरमेटेलिक कंपाउंड (आईएमसी) परत बनने में विफल हो जाएगी। यह स्थिति {{4}जहां सतह ढकी हुई प्रतीत होती है लेकिन आंतरिक भाग वास्तव में गलनक्रांतिक नहीं है, जिसके परिणामस्वरूप कोल्ड सोल्डर जोड़ या कोल्ड सोल्डर {{5}बाद के उच्च {{7}वोल्टेज सर्ज परीक्षण के दौरान औद्योगिक {6}ग्रेड गेटवे के लिए सबसे बड़ा खतरा पैदा करता है।

रिफ्लो सोल्डरिंग पैरामीटर्स और माइक्रोस्ट्रक्चरल अलॉय लेयर कंट्रोल को अनुकूलित करना

उच्च तापीय द्रव्यमान वाले घटकों में सोल्डरिंग दोषों को दूर करने के लिए, प्रक्रिया इंजीनियरों को लेड फ्री रिफ्लो सोल्डरिंग के तापमान वितरण को सटीक रूप से समायोजित करना होगा और एक समर्पित तापमान विंडो स्थापित करनी होगी। उच्च धारा सर्ज सुरक्षा घटकों वाले सर्किट बोर्डों के लिए, रिफ्लो प्रक्रिया के प्रीहीटिंग और इक्वलाइज़ेशन ज़ोन को उचित रूप से बढ़ाया जाना चाहिए। तापमान समकारी क्षेत्र (160 डिग्री से 190 डिग्री) में, अवधि 100 से 120 सेकंड तक बनाए रखी जानी चाहिए ताकि मोटी धातु को गर्मी को अवशोषित करने और बोर्ड भर में तापमान अंतर को कम करने के लिए पर्याप्त समय मिल सके। सोल्डरिंग क्षेत्र में प्रवेश करने पर, अधिकतम तापमान को 242 डिग्री और 248 डिग्री के बीच सख्ती से नियंत्रित किया जाना चाहिए, यह सुनिश्चित करते हुए कि सर्ज प्रोटेक्शन डिवाइस के लीड 65 से 75 सेकंड के लिए लिक्विडस लाइन (217 डिग्री) से ऊपर रहें। सटीक ऊर्जा इनपुट सोल्डर पेस्ट में सक्रिय घटकों को पूरी तरह से काम करने की अनुमति देता है, जिससे तांबे के पैड और टिन मिश्र धातु के बीच 1 से 3 माइक्रोमीटर की मोटाई के साथ एक आदर्श इंटरमेटेलिक कंपाउंड (आईएमसी) परत के निर्माण को बढ़ावा मिलता है। यह सुनिश्चित करता है कि सोल्डर जोड़ न केवल अच्छी विद्युत चालकता प्रदर्शित करते हैं, बल्कि उच्च धारा उछाल को झेलने के लिए आवश्यक यांत्रिक तन्य शक्ति भी रखते हैं।

स्टील जाल का सटीक डिजाइन और सरंध्रता का सख्त नियंत्रण

बिजली संरक्षण उपकरणों के लिए, सोल्डर जोड़ों के भीतर की सरंध्रता उनकी वर्तमान वहन क्षमता के लिए महत्वपूर्ण है। अत्यधिक सरंध्रता सोल्डर जोड़ के प्रभावी प्रवाहकीय क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र को कम कर देती है। जब कई एम्पीयर या यहां तक ​​कि दसियों एम्पीयर की उछाल धाराएं प्रवाहित होती हैं, तो उच्च सरंध्रता वाले क्षेत्रों में वर्तमान घनत्व में अचानक वृद्धि के कारण स्थानीय विद्युत प्रवासन और थर्मल पलायन का अनुभव हो सकता है। गुणवत्ता नियंत्रण को स्टैंसिल डिज़ाइन और सोल्डर पेस्ट चयन दोनों को एक साथ संबोधित करना चाहिए। बड़े क्षेत्र की गर्मी को नष्ट करने वाले पैड वाले सर्ज सुरक्षा उपकरणों के लिए, ठोस क्षेत्र के उद्घाटन वाले डिज़ाइन सख्ती से प्रतिबंधित हैं; इसके बजाय, ग्रिड की तरह या चेकरबोर्ड पैटर्न के उद्घाटन को अपनाया जाना चाहिए, खुले क्षेत्र का अनुपात आम तौर पर 65% और 75% के बीच सीमित होता है ताकि रिफ्लो सोल्डरिंग के दौरान फ्लक्स गैस के निकास के लिए पर्याप्त चैनल सुनिश्चित हो सके। PCBA विनिर्माण स्थल पर, एक्स-रे निरीक्षण उपकरण सर्ज सुरक्षा घटकों पर 100% गैर-विनाशकारी परीक्षण करने के लिए तैनात किया जाना चाहिए। गुणवत्ता स्वीकृति मानदंड निर्धारित करते हैं कि सर्ज प्रोटेक्शन घटक सोल्डर जोड़ के भीतर किसी भी एकल शून्य का क्षेत्र 10% से अधिक नहीं होना चाहिए, और कुल शून्य दर सख्ती से 15% या उससे कम तक सीमित होनी चाहिए, जिससे किसी भी संभावित वर्तमान एकाग्रता हॉटस्पॉट को समाप्त किया जा सके।

औद्योगिक ग्रेड गेटवे के बिजली के उछाल प्रतिरोध को बढ़ाना न केवल सर्किट डिजाइन विशेषज्ञता का प्रमाण है, बल्कि उच्च मानक विनिर्माण प्रक्रियाओं की परिणति भी है। कठोर परीक्षण का सामना करने वाला प्रत्येक सोल्डर जोड़ उच्च गुणवत्ता वाले उत्पादों के स्थिर संचालन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।

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