Der stille Killer der Ausbeute: Warum Ihre MLCCs ständig Risse bekommen (und es nicht die Platzierungsmaschine ist)

Die Linie geht nach unten. Das Ertragsdiagramm sinkt. Eine Charge von Platinen besteht den Funktionstest nicht, mit intermittierenden Kurzschlüssen auf der 12V-Leitung. Die unmittelbare Reaktion aus der Produktion ist, die Pick-and-Place-Maschine dafür verantwortlich zu machen. Die Begründung erscheint plausibel: Eine Hochgeschwindigkeitsdüse schleudert eine fragile keramische Komponente auf die Platine. Wenn die Komponente Risse hat, hat der Roboter sie sicherlich zu fest getroffen.

Ingenieure verlieren Wochen bei der Kalibrierung des Düsendrucks. Sie tauschen Zuführungen aus. Sie bedrängen den Lieferanten und behaupten, eine "schlechte Charge" von Kondensatoren habe die Lieferkette kontaminiert. Dies ist die "Bad Batch"-Fehlschluss—the tröstliche Lüge, gekaufte defekte Teile zu verwenden, um das Team verantwortlich zu machen. Aber moderne Platziermaschinen von Panasonic, Fuji oder ASM haben Kraftfeedback-Schleifen, die so empfindlich sind, dass sie eine Fehlstellung im Mikrometerbereich erkennen können. Solange ein Bediener keine 0201-Komponente mit einer für eine D-Pack vorgesehenen Düse zerdrückt, ist die Maschine unschuldig.

Die Komponente brach nicht während des Platzierens. Sie brach später, als die Platine sich verbog.

Die Anatomie des Chevrons

Um zu verstehen, warum die Platzierungstheorie scheitert, schauen wir uns den Körper an. Ein keramischer Kondensator (MLCC) ist im Wesentlichen ein Glasblock. Er hat hohe Druckfestigkeit, aber keinerlei Zugflexibilität. Wenn eine Leiterplatte sich biegt, dehnt sich die Glasfaserschicht. Die starren Lötfilamente übertragen diese Dehnung direkt in den keramischen Körper.

Wenn die Kraft von einem vertikalen Aufprall stammt—wie bei einer Platzierungsdüse—würde der Riss wie ein Krater oder eine Vertiefung aussehen. Das ist nicht, was die Erträge mindert. Der Verursacher ist der Biegeriss.

Unter einem Querschnitt-Mikroskop hat dieses Versagen eine deutliche Signatur: den "Chevron"- oder 45-Grad-Riss. Er beginnt in der unteren Ecke des Kondensators, genau dort, wo die Terminierung auf die keramische Gehäusekante trifft, und wächst diagonal nach oben. Dieser Winkel ist das Ergebnis von Zugspannung, die den unteren Teil der Komponente auseinanderzieht, während die Platine darunter biegt. Es ist ein klassischer Scherfehler—ein physikalischer Beweis dafür, dass eine Platine über die Belastungsgrenze der Keramik hinaus gebogen wurde.

Die eigentliche Gefahr liegt im Verborgenen. Meist ist der Riss so eng, dass die Komponente den In-Circuit-Test (ICT) besteht, weil die Platten noch Kontakt haben. Sobald die Platine jedoch in Betrieb erhitzt oder im Feld vibriert, öffnet sich der Riss. Feuchtigkeit dringt ein. Der Isolationswiderstand sinkt. Der Kondensator macht einen Kurzschluss. Eine Platine, die alle Fabriktests bestanden hat, stirbt zwei Monate später in den Händen des Kunden.

Der Tatort: Demontage

Wenn die Platziermaschine die Platine nicht gebogen hat, was hat es dann verursacht? Der Schaden tritt fast immer während der Demontage auf—wenn einzelne Platinen vom Produktionspanel getrennt werden.

Das manuelle Snappen ist der schlimmste Übeltäter. Bei volumenintensiver, kostenempfindlicher Produktion—insbesondere bei Konsumgütern—werden Paneele oft mit einer V-Nut vorgesenkt (V-score) und per Hand getrennt. Noch schlimmer ist, wenn die Bediener die „Knie-Methode“ oder die Kante einer Werkbank verwenden, um das Panel zu snappen. Dies übt ein massives, inkonsistentes Drehmoment aus. Das FR4-Glasfaser verbiegt sich, aber die Lötstellen nicht. Die Spannung konzentriert sich an den steifsten Stellen auf der Platine: den Lötpads großer keramischer Komponenten.

Selbst rotierende Trennmesser im Stil eines „Pizza-Schneiders“ sind gefährlich. Wenn die Messerspitze falsch eingestellt ist oder wenn der Bediener das Panel in einem leichten Winkel durchschiebt, biegt sich das Board. Ein V-score-Prozess basiert auf dem Bruch des verbleibenden Materials. Dieser Bruch ist ein gewalttätiges mechanisches Ereignis, das eine Schockwelle durch das Glasfaser sendet.

Die einzige sichere Methode für Hochzuverlässigkeitselektronik ist der Fräser (Tab-Route). Ein Fräserbohrer entfernt das Material, ohne Spannungen auf die Leiterplatte auszuüben. Es ist langsamer, erzeugt Staub und erfordert mehr Wartung. Aber es erzeugt keinen Biegestress. Manager wehren sich oft gegen den Wechsel zu Fräsern wegen des Zykluszeit-Nachteils, indem sie die Kosten des Bohrers gegen die billige V-score-Klinge abwägen. Sie berechnen selten die Kosten einer Ausschussquote von 2% oder einer Feldrückrufaktion von $50.000, die durch manuelle Trennung verursacht wurde.

Geometrie ist Schicksal

Wenn ein Fräser unmöglich ist und V-score zwingend erforderlich ist, hängt das Überleben des Kondensators vom Layout ab. Zwei Variablen sind entscheidend: Ausrichtung und Entfernung.

Ausrichtung ist die am meisten ignorierte Regel im PCB-Design. Ein Kondensator, der parallel zur Bruchlinie platziert ist parallel zur Bruchlinie, befindet sich in der Gefahrenzone. Wenn das Board entlang des V-score biegt, dehnt sich die lange Achse des Kondensators. Die gesamte Länge des Bauteils widersteht der Biegung und zerbricht.

Drehen Sie dasselbe Bauteil um 90 Grad, sodass es senkrecht zur Bruchlinie steht. Jetzt, wenn das Board biegt, wirkt die Spannung auf die Breite des Bauteils und nicht auf die Länge. Die Lötstellen fungieren als Drehpunkt anstelle eines starren Ankers, was das Rissrisiko exponentiell reduziert.

Dann gibt es die Distanz. Designer lieben es, Komponenten bis zum Rand der Platine zu packen, um das Formfaktor zu verkleinern. Sie verlassen sich auf CAD Design Rule Checks (DRC), um zu markieren, wenn ein Teil zu nah ist. Aber Standard-DRC prüfen auf elektrisch Abstand (Kupfer zu Kupfer), nicht mechanisch Sicherheit. Ein Kondensator kann elektrisch 1mm vom Rand entfernt sicher sein, ist aber mechanisch zum Scheitern verurteilt.

Die Sicherheitszone ist typischerweise 5mm von jeder Bruchlinie entfernt. Dies variiert natürlich—eine dicke 1,6mm Platine überträgt mehr Stress als eine dünne 0,8mm, und die Glaswebrichtung ist wichtig. Aber 5mm ist die Standardzahl zum „nachts ruhig schlafen“. Wenn ein 1206 Kondensator 2mm von einer V-Kerbung entfernt parallel zum Schnitt sitzt, ist es keine Frage des ob es reißt, aber wenn.

Das „Soft Termination“ Band-Aid

Wenn das Layout nicht geändert werden kann—meist weil die Platine bereits gedreht wurde und die Ausbeute abstürzt—greifen Ingenieure oft zu „Soft Termination“ oder „Flex-term“ Kondensatoren.

Standardkondensatoren verwenden eine starre Metall-Endung. Soft Termination fügt eine Schicht leitfähigen Epoxidharz zwischen Kupfer und Nickel/Zinn-Beschichtung hinzu. Dieses Harz wirkt als Stoßdämpfer, sodass die Endung bei einer Biegung leicht vom keramischen Körper abblättern kann. Dies bricht die elektrische Verbindung (fail open), anstatt den keramischen Teil zu zerbrechen (fail short).

Hier herrscht oft Verwirrung, wobei Einkaufmanager fragen, ob die zusätzlichen Kosten es wert sind. Es funktioniert, aber es ist keine Magie. Es erhöht die Biege-Toleranz von vielleicht 2mm Verwindung auf 5mm. Man kann es sich wie ein Airbag vorstellen. Ein Airbag reduziert die Todesfälle, bedeutet aber nicht, dass man gegen eine Ziegelmauer mit 60 Meilen pro Stunde fahren kann. Wenn der Trennprozess darin besteht, dass ein Bediener die Platine über das Knie bricht, wird eine Soft Termination das Teil nicht retten. Es ist ein Sicherheitsnetz, kein Heilmittel für einen schlechten Prozess.

Validierung: Die rauchende Waffe

Also, wie beweist man der Geschäftsleitung, dass der Fehler im Prozess liegt und nicht beim Lieferanten? Die Antwort liegt im zerstörerischen Testverfahren.

Senden Sie die fehlerhafte Leiterplatte zur Untersuchung in das Labor für einen „Dye-and-Pry“-Test. Der Techniker überflutet die Fläche mit roter Tinte, setzt die Leiterplatte in eine Vakuumkammer, um die Tinte in Risse zu pressen, und löst dann mechanisch die Komponente von der Leiterplatte ab. Wenn rote Tinte auf der Bruchfläche sichtbar ist, bestand der Riss schon vorher. vor der Test.

Wenn die Tinte das Signature 45-Grad-Zeichnung offenbart, ist die Diskussion vorbei. Das ist ein Flex-Riss. Es ist nicht beim Verkäufer passiert. Es ist nicht in der Bestückungsmaschine passiert. Es passierte, als die Leiterplatte gebogen wurde. Gehen Sie die Produktionslinie entlang. Beobachten Sie, wie die Paneele getrennt werden. Hören Sie auf das Klicken. Dieser Ton ist das Geräusch von Geld, das die Fabrik verlässt.