Le tueur silencieux du rendement : pourquoi vos MLCC se fissurent (et ce n’est pas la machine de placement)

La ligne descend. Le graphique de rendement chute. Un lot de cartes échoue au test de fonctionnalité avec des courts intermittents sur la ligne 12V. La réaction immédiate de la production est de blâmer la machine de placement. La logique semble fondée : une buse à grande vitesse enfonce un composant céramique fragile sur la carte. Si le composant est fissuré, c’est sûrement le robot qui l’a frappé trop fort.

Les ingénieurs perdent des semaines à calibrer la pression de la buse. Ils échangent les alimentations. Ils harcèlent le fournisseur, prétendant qu’un "mauvais lot" de condensateurs a contaminé la chaîne d’approvisionnement. C’est la fallacie du "mauvais lot"—le mensonge rassurant selon lequel l’achat de pièces défectueuses décharge l’équipe de processus de toute responsabilité. Mais les machines de placement modernes de Panasonic, Fuji ou ASM ont des boucles de rétroaction de force si sensibles qu’elles peuvent détecter un mauvais alignement de microns. À moins qu’un opérateur ne presse un 0201 avec une buse destinée à un D-pack, la machine est innocente.

Le composant ne s’est pas cassé lors de la pose. Il s’est cassé plus tard, lorsque la carte s’est pliée.

L'anatomie du Chevron

Pour comprendre pourquoi la théorie de la placement échoue, regardez le cadavre. Un condensateur céramique (MLCC) est essentiellement un bloc de verre. Il a une résistance à la compression élevée mais aucune flexibilité à la traction. Lorsqu’un PCB se plie, la fibre de verre s’étire. Les filets de soudure rigides transfèrent cette extension directement dans le corps céramique.

Si la force provenait d’un impact vertical—comme une buse de placement—la fissure ressemblerait à un cratère ou à un creux de surface. Ce n’est pas ce qui tue le rendement. Le tueur est le fissure en flexion.

Sous un microscope en coupe, cette défaillance a une signature distincte : la fissure en "Chevron" ou à 45 degrés. Elle commence au coin inférieur du condensateur, juste où la terminaison rencontre le corps céramique, et se propage diagonalement vers le haut. Cet angle résulte d’une tension de traction tirant la base du composant vers l’extérieur pendant que la carte se plie en dessous. C’est une défaillance en cisaillement classique—un record physique d’une carte pliée au-delà de la limite de déformation du céramique.

Le vrai danger ici est la furtivité. Souvent, la fissure est assez serrée pour que le composant passe le Test In-Circuit (ICT) car les plaques sont encore en contact. Mais une fois que la carte chauffe en fonctionnement ou vibre sur le terrain, la fissure s’ouvre. L’humidité pénètre. La résistance d’isolation chute. Le condensateur se met en court-circuit. Une carte qui a réussi tous les tests en usine meurt dans les mains du client deux mois plus tard.

La scène de crime : déposition

Si la machine de placement n’a pas plié la carte, qu’est-ce qui l’a fait ? Les dégâts se produisent presque toujours lors du découpage—lors de la séparation des cartes individuelles du panneau de production.

La rupture manuelle est la principale responsable. En production à haut volume et à faible coût—en particulier pour les produits de consommation—les panneaux sont souvent rainurés avec une gorge en V (rainure en V) et séparés à la main. Pire encore, les opérateurs peuvent utiliser la « méthode du genou » ou le bord d’un établi pour casser le panneau. Cela applique un couple massif et inconsistant. La fibre de verre FR4 se plie, mais les joints de soudure non. La contrainte se concentre aux points les plus rigides de la carte : les pads de soudure de grands composants en céramique.

Même les séparateurs à lame enroulable de style « coupe-pizza » sont dangereux. Si la hauteur de la lame est mal réglée, ou si l’opérateur pousse le panneau à un léger angle, la carte se courbe. Un processus de rainure en V repose sur la rupture de la fibre restante. Cette rupture est un événement mécanique violent qui envoie une onde de choc à travers la fibre de verre.

La seule méthode sûre pour une électronique à haute fiabilité est l’usage de la fraise (découpeur à onglets). Une fraise de défonçage évacue le matériau, ne laissant aucune contrainte sur la PCB. Elle est plus lente, génère de la poussière et nécessite plus d’entretien. Mais elle n’introduit aucune contrainte de flexion. Les gestionnaires résistent souvent à l’adoption des fraises à cause de la pénalité sur le temps de cycle, en calculant le coût de la fraise contre la lame Vscore bon marché. Ils calculent rarement le coût d’un taux de rebut de 2% ou d’un rappel en service de $50 000 causé par la séparation manuelle.

La géométrie est destinée

Si une fraise est impossible et que la rainure en V est obligatoire, la survie du condensateur dépend de la disposition. Deux variables comptent : Orientation et Distance.

L’orientation est la règle la plus souvent ignorée dans la conception de PCB. Un condensateur placé parallèlement au ligne de rupture se trouve dans la zone de danger. Lorsque la carte se plie le long de la rainure en V, l’axe long du condensateur s’étire. Toute la longueur du composant résiste à la flexion, et il se casse.

Faites pivoter ce même composant de 90 degrés, de façon à ce qu’il soit perpendiculaire par rapport à la ligne de rupture. Maintenant, lorsque la carte se plie, la contrainte s’applique à la largeur du composant, et non à sa longueur. Les joints de soudure agissent comme un point de pivot plutôt qu’un point d’ancrage rigide, réduisant exponentiellement le risque de fissure.

Puis il y a la distance. Les concepteurs aiment empiler les composants jusqu'au bord de la carte pour réduire la taille. Ils comptent sur les vérifications de règles de conception (DRC) de CAO pour signaler si une pièce est trop proche. Mais les DRC standard vérifient pour électrique dégagement (cuivre contre cuivre), pas mécanique la sécurité. Un condensateur peut être électriquement sûr à 1mm du bord, mais mécaniquement condamné.

La zone sûre est généralement 5mm de toute ligne de rupture. Bien sûr, cela varie—une carte épaisse de 1,6mm transmet plus de contraintes qu'une de 0,8mm fine, et la direction du tissage du verre est importante. Mais 5mm est le chiffre standard pour dormir sur ses deux oreilles. Si un condensateur 1206 est placé à 2mm d'un V-score, parallèle à la coupe, ce n'est pas une question de si il se cracke, mais quand.

La bande de terminaison douce (Soft Termination) Bande-Aid

Lorsque la disposition ne peut pas être modifiée—généralement parce que la carte est déjà tourné et que le rendement chute—les ingénieurs se tournent souvent vers des condensateurs à "Terminaison douce" ou "Flex-term".

Les condensateurs standard utilisent une terminaison métallique rigide. La terminaison douce ajoute une couche de résine conductrice époxy entre le cuivre et le Nickel/Tin. Cette résine agit comme un amortisseur, permettant à la terminaison de se décoller légèrement du corps en céramique lors d'une flexion. Cela brise la connexion électrique (échouer en mode ouvert) plutôt que de fissurer la céramique (échouer en mode court).

Il y a souvent confusion ici, avec les responsables des achats qui demandent si le coût supplémentaire en vaut la peine. Cela fonctionne, mais ce n’est pas magique. Cela augmente la tolérance à la flexion de peut-être 2mm de déviation à 5mm. Considérez-le comme un airbags. Un airbags réduit le taux de mortalité, mais cela ne signifie pas que vous pouvez conduire contre un mur en briques à 60 mph. Si le processus de détourage implique qu’un opérateur casse la carte au genou, la terminaison douce ne sauvera pas la pièce. C’est un filet de sécurité, pas une solution à un mauvais processus.

Validation : La pièce à conviction

Alors, comment prouver à la direction que le fautif est le processus, et non le fournisseur ? La réponse réside dans les tests destructifs.

Envoyez la carte défectueuse au laboratoire pour un test « Dyes-and-Pry ». Le technicien inonde la zone de colorant rouge, place la carte dans une chambre à vide pour forcer l'encre dans les fissures, puis décolle mécaniquement le composant de la carte. Si de l'encre rouge est visible sur la face de fracture, la fissure existait avant le test.

Si l'encre révèle cette signature en chevron de 45 degrés, l'argument est terminé. Il s'agit d'une fissure de flexion. Ce n'est pas chez le fournisseur, ce n'est pas dans la machine de placement. Cela s'est produit lorsque la carte a été pliée. Allez faire un tour sur la chaîne de production. Observez comment les panneaux sont séparés. Écoutez le clic. Ce son est le son de l'argent quittant l'usine.