ทุกครั้งที่อุปกรณ์ถูกปิดและเปิด อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลง (ลองนึกดูว่าโทรศัพท์ของคุณเปิดไฟบ่อยแค่ไหนตลอดทั้งวัน) พลังงานที่ไหลผ่านวัสดุหลายชั้นที่วางซ้อนกันอย่างแน่นหนาจะทำให้อุปกรณ์ร้อนขึ้น จากนั้นก็เย็นลงอย่างรวดเร็ว การแกว่งตัวซ้ำๆ ระหว่างอุณหภูมิตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์นี้เรียกว่า วงจรความร้อน

เหตุใดการจัดการความร้อนจึงมีความสำคัญ

วงจรความร้อน (Thermal Cycle) คือกระบวนการที่อุปกรณ์เคลื่อนที่ผ่านสภาวะร้อนและเย็น เป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดความล้มเหลวในระบบอิเล็กทรอนิกส์ หากเกิดความล้าจากความร้อน ระบบต่างๆ ภายในอุปกรณ์อาจได้รับผลกระทบ ส่งผลให้เกิดการบิดงอ บัดกรีอ่อนแรง แตกหัก หรือร้าว และหากปล่อยทิ้งไว้โดยไม่ได้รับการแก้ไข อาจทำให้ผลิตภัณฑ์เสียหายโดยรวมได้

เนื่องจากปัจจุบันมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อยู่ในทุกสิ่ง ความเครียดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจึงส่งผลต่อส่วนประกอบในอุปกรณ์ต่างๆ ในทุกอุตสาหกรรม เช่น:

• ยานยนต์
• การบินและอวกาศและการป้องกันประเทศ
• ชีวการแพทย์
• การผลิต
• สินค้าอุปโภคบริโภค

อะไรทำให้ส่วนประกอบต่างๆ มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ?

มีหลายสาเหตุที่ทำให้ส่วนประกอบต่างๆ ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ซึ่งรวมถึงตำแหน่งที่วางส่วนประกอบบนแผงวงจร และประเภทของส่วนประกอบ เช่น แพ็คเกจแบบควอดแฟลตไม่มีตะกั่ว (QFN), บอลกริดอาร์เรย์ (BGA) และตัวเก็บประจุเซรามิก ส่วนประกอบเหล่านี้ไม่มีตะกั่วที่เป็นไปตามมาตรฐาน ดังนั้นจึงมีเพียงตะกั่วบัดกรีเท่านั้นที่สามารถดูดซับแรงดึงได้

สำหรับส่วนประกอบที่ไวต่อความเครียด สิ่งสำคัญคือต้องไม่วางไว้ในบริเวณที่มีความเครียดสูงบนบอร์ด เช่น:

• ใกล้รูยึด
• พื้นที่ระหว่างหรือใกล้กับส่วนประกอบแข็งขนาดใหญ่ (เช่น ตัวเหนี่ยวนำ)
• ใกล้ขอบกระดานที่มีรอย V ซึ่งการแตกของรอย V อาจทำให้ชิ้นส่วนเสียหายได้

ตัวอย่างการวางตำแหน่ง QFN

ในรูปที่ 2 มีการวาง QFN ไว้ระหว่างตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่สองตัวบน แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีสแตนด์ออฟสี่มุม ระหว่างเหตุการณ์วงจรความร้อน คุณจะเห็นพื้นที่ความเครียดสูง (แสดงด้วยสีแดงและสีเหลือง) ที่เกิดขึ้น การวาง QFN ไว้ในพื้นที่ความเครียดสูงที่เกิดขึ้นอาจทำให้จุดบัดกรีของ QFN เสียหายได้

ความเครียดของตะกั่วบัดกรีในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การบัดกรีเป็นหนึ่งในวิธีพื้นฐานที่สุดในการเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ บนแผงวงจร เช่นเดียวกับกาวร้อนโลหะ ตะกั่วบัดกรีจะถูกหลอมละลายและใช้ในการยึดชิ้นส่วนเข้าด้วยกันในขณะที่แข็งตัว แม้ว่าการเสื่อมสภาพของตะกั่วบัดกรีอาจเกิดจากการสั่นสะเทือนหรือแรงกระแทก แต่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมักเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวของข้อต่อบัดกรี

วัสดุแต่ละชนิดมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) เฉพาะตัว และความไม่สมดุลระหว่าง CTE ของวัสดุแต่ละชนิดเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความล้าจากการบัดกรี เมื่อบัดกรีเกิดความเครียด พันธะระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ของคุณกับแผงวงจรอาจเกิดการเสียรูป แตกร้าว หรือแตกหัก ซึ่งนำไปสู่ความเสี่ยงที่จะเกิดความเสียหาย 

การเร่งการทดสอบอายุการใช้งานของการหมุนเวียนความร้อน

ทุกสิ่งบนแผงวงจรไม่ได้เป็นเพียงไฟฟ้าเท่านั้น บ่อยครั้งที่วัสดุหลายชั้นที่ใช้ส่งกระแสไฟฟ้าจะถูกฝังลึกลงไปในแผงวงจรและไม่สามารถมองเห็นได้จากด้านบนหรือด้านล่าง เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน วัสดุเหล่านี้จะเติบโต หดตัว และเสียรูป การคาดการณ์ว่าส่วนประกอบเหล่านี้จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนอย่างไรจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการทดสอบอายุการใช้งานที่แม่นยำ

ตามหลักการแล้ว เพื่อป้องกันความล้มเหลวที่เกิดจากความล้าจากความร้อน วิศวกรควรลดปัจจัยกดดันจากความร้อนในขั้นตอนการออกแบบ การใช้การจำลองสถานการณ์จะช่วยให้พวกเขาเห็นตำแหน่งที่เกิดแรงเครียด และปรับเปลี่ยนจำนวนชั้นวัสดุและส่วนยึด ตำแหน่งของส่วนประกอบ และวัสดุรองใต้ผิววัสดุก่อนสร้างต้นแบบทางกายภาพ

เมื่อใช้การจำลองเพื่อทดสอบความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือทางเทอร์โม-กลศาสตร์ สิ่งสำคัญคือต้องใช้ซอฟต์แวร์ที่มี ความสามารถ ในการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ (FEA) หรือการวิเคราะห์โครงสร้าง FEA คือการแสดงทางคณิตศาสตร์ของระบบทางกายภาพที่ใช้การสร้างตาข่ายเพื่อเชื่อมโยงองค์ประกอบต่างๆ เข้ากับแบบจำลองของคุณ เทคนิคการสร้างตาข่ายมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวิเคราะห์ที่แม่นยำ

การออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่คงทน

การทำความเข้าใจความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือทางเทอร์โม-กลศาสตร์เป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของความล้มเหลวของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และการไม่ออกแบบอุปกรณ์โดยคำนึงถึงความเสี่ยงนี้อาจส่งผลให้เกิดความล้มเหลวของผลิตภัณฑ์ที่ไม่คาดคิดในภาคสนาม การใช้การจำลองสถานการณ์เป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญที่วิศวกรสามารถทำได้เพื่อลดรอบการออกแบบที่ยาวนานและลดการสร้างต้นแบบซ้ำหลายครั้ง