De stille killer van opbrengst: waarom uw MLCC's blijven barsten (en het is niet de plaatsingsmachine)

De lijn gaat naar beneden. De yield-grafiek daalt. Een batch van borden faalt de functionele test met af en toe kortsluitingen op de 12V-rail. De onmiddellijke reactie van de productie is de schuld geven aan de pick-and-place machine. De redenering lijkt logisch: een hoogsnelheids-nozzle duwt een kwetsbaar keramisch onderdeel op het bord. Als het onderdeel gebarsten is, heeft de robot het vast te hard geraakt.

Ingenieurs verliezen weken met het kalibreren van de nozzle-druk. Ze wisselen voeders uit. Ze lastigvallen de leverancier, met de bewering dat een “slecht lot” condensatoren de toeleveringsketen heeft besmet. Dit is de “Bad Batch” Fallacy — de geruststellende leugen dat het kopen van defecte onderdelen de verantwoordelijkheid van het proces team afschaft. Maar moderne plaatsingsmachines van Panasonic, Fuji, of ASM hebben kracht-feedbacklussen die zo gevoelig zijn dat ze een misplaatsing van microns kunnen detecteren. Tenzij een operator een 0201 verplettert met een nozzle bedoeld voor een D-pack, is de machine onschuldig.

Het onderdeel brak niet tijdens het plaatsen. Het brak later, toen het bord buigde.

De Anatomie van de Chevron

Om te zien waarom de plaatsingstheorie faalt, kijk naar het knaagspoor. Een keramische condensator (MLCC) is in wezen een stuk glas. Het heeft een hoge compressieve kracht, maar nul trekflexibiliteit. Wanneer een PCB buigt, stretcht de glasvezel. De stijve soldeerbruggen geven die stretch direct door aan de keramische body.

Als de kracht afkomstig was van een verticale impact — zoals een plaatsingsnozzle — zou de scheur eruitzien als een krater of een deuk op het oppervlak. Dat is niet wat de yield vermindert. De veroorzaker is de buigscheur.

Onder een dwarsdoorsnede-microscoop heeft deze fout een duidelijke handtekening: de “altijddel” of 45-graden barst. Het begint bij de onderste hoek van de condensator, precies waar de terminatie de keramische body ontmoet, en groeit diagonaal omhoog. Deze hoek is het gevolg van trekspanning die de onderkant van het onderdeel uit elkaar trekt terwijl het bord eronder buigt. Het is een klassiek schuifschade — een fysiek bewijs van een bord dat verder buigt dan de spanningsgrens van de keramiek.

Het echte gevaar hier is stealth. Vaak is de scheur zo strak dat het onderdeel de In-Circuit Test (ICT) doorstaat omdat de platen nog steeds elkaar aanraken. Maar zodra het bord opwarmt tijdens het gebruik of trilt op het veld, opent de scheur. Vocht krijgt binnen. Isolatieweerstand daalt. De condensator maakt kortsluiting. Een bord dat elke fabriekstest doorstond, sterft twee maanden later in de handen van de klant.

De Plaats delict: Ontdelen

Als de plaatsingsmachine het bord niet heeft gebogen, wat dan wel? De schade gebeurt bijna altijd tijdens het depanelen — het scheiden van individuele borden van het productiepaneel.

De handmatige klik is de grootste boosdoener. In productie met hoog volume en kostengevoelige productie—vooral voor consumentengoederen—worden panels vaak met een V-sleuf (V-score) gemarkeerd en met de hand gescheiden. Nog erger, operators gebruiken mogelijk de “kniemethode” of de rand van een werkbank om het paneel te breken. Dit zorgt voor een enorme, inconsistente torsie. Het FR4 glasvezelbuigt, maar de loodverbindingen niet. De spanning concentreert zich op de stijfste punten van het bord: de soldeerpads van grote keramische componenten.

Zelfs “pizza snijder”-stijl rollende scheiders zijn gevaarlijk. Als de hoogte van het blad verkeerd is ingesteld, of als de operator het paneel onder een lichte hoek doorduwt, vormt het bord een boog. Een V-score-proces is afhankelijk van het breken van de resterende webstructuur van materiaal. Dat breukpunt is een gewelddadige mechanische gebeurtenis die een schokgolf door de glasvezel stuurt.

De enige veilige methode voor high-reliability elektronica is de frees (tab-route). Een freesbit werkt het materiaal weg, zonder stress op de PCB te veroorzaken. Het is langzamer, maakt stof en vereist meer onderhoud. Maar het introduceert geen buigstress. Managers verzetten zich vaak tegen de overstap naar frezen vanwege de cyclustijd, waarbij ze de kosten van de bit vergelijken met de goedkope V-score-zaag. Ze berekenen zelden de kosten van een 2%-afvalpercentage of een $50.000 veldterugroepactie veroorzaakt door handmatige scheiding.

Gergonomie is bestemming

Als een frees onmogelijk is en V-score verplicht is, komt het voortbestaan van de condensator neer op de lay-out. Twee variabelen zijn van belang: Oriëntatie en Afstand.

Oriëntatie is de meest genegeerde regel in PCB-ontwerp. Een condensator geplaatst parallel aan de breuklijn bevindt zich in de kill zone. Wanneer het bord buigt langs de V-score, rekt de lange as van de condensator uit. De hele lengte van het onderdeel weerstaat de buiging, en het breekt.

Draai datzelfde onderdeel 90 graden, zodat het is perpendicular op de breuklijn. Nu, wanneer het bord buigt, wordt de spanning uitgeoefend op de breedte van het onderdeel, niet op de lengte. De soldeerverbindingen fungeren als draaipunt in plaats van een rigide anker, waardoor het risico op scheuren exponentieel afneemt.

Dan is er afstand. Ontwerpers vinden het geweldig om componenten tot tegen de rand van het bord te plaatsen om de behuizing te verkleinen. Ze vertrouwen op CAD Design Rule Checks (DRC) om te waarschuwen of een onderdeel te dicht bij is. Maar standaard DRC controleert op elektrische afstand (koper tot koper), niet mechanisch veiligheid. Een condensator kan elektrisch veilig 1mm van de rand zitten, maar mechanisch gedoemd is.

De veilige zone is gewoonlijk 5mm van elke breuklijn. Dit varieert natuurlijk — een dik bord van 1,6mm brengt meer spanning over dan een dun bord van 0,8mm, en de glasweefselrichting is belangrijk. Maar 5mm is het standaard “slaap-veel-nacht” getal. Als een 1206 condensator 2mm van een V-score ligt, parallel aan de snijlijn, is het niet een kwestie van of het barst, maar wanneer.

De “Soft Termination” Band-Aid

Wanneer de lay-out niet kan worden aangepast — meestal omdat het bord al is gedraaid en de opbrengst flink daalt — grijpen engineers vaak naar “Soft Termination” of “Flex-term” condensatoren.

Standaard condensatoren gebruiken een stijve metalen terminatie. Soft termination voegt een laag geleidende epoxyhars toe tussen het koper en de nikkellaag of tinlaag. Deze hars fungeert als schokdemper, waardoor de terminatie tijdens een buiging iets kan loslaten van het keramische lichaam. Dit onderbreekt de elektrische verbinding (fout open) in plaats van het keramiek te barsten (fout kort).

Hier is vaak verwarring over, met inkopers die vragen of de extra kosten het waard zijn. Het werkt, maar het is geen magie. Het verhoogt de buigtolerantie van bijvoorbeeld 2mm uitwijking tot 5mm. Zie het als een airbagsysteem. Een airbag verlaagt de sterfelijkheid, maar betekent niet dat je met 60 mph tegen een bakstenen muur kunt rijden. Als het depanelingproces omvat dat een operator het bord over hun knie breekt, zal soft termination het onderdeel niet redden. Het is een vangnet, geen remedie voor een slecht proces.

Validatie: De Rookende Verbinding

Dus, hoe bewijs je aan het management dat het probleem bij het proces ligt en niet bij de leverancier? Het antwoord ligt in destructieve testen.

Stuur het defecte bord naar het lab voor een “Dye-and-Pry” test. De technicus overloopt het gebied met rode kleurstof, plaatst het bord in een vacuümkamer om de inkt in enige barstjes te dwingen, en verwijdert vervolgens mechanisch de component van het bord. Als er rode inkt op het breukvlak zit, bestond de barst voordat de test.

Als de inkt die signature met een 45-graden chevron onthult, is het argument ten einde. Dat is een flexbarst. Het gebeurde niet bij de leverancier. Het gebeurde niet in de plaatsingsmachine. Het gebeurde toen het bord gebogen werd. Loop de productielijn eens. Kijk hoe de panelen gescheiden worden. Luister naar het geknak. Dat geluid is het geluid van geld dat de fabriek verlaat.