Cichy zabójca wydajności: Dlaczego Twoje MLCC ciągle pękają (i to nie jest maszyna do układania)

Linia opada. Wykres wydajności spada. Partia płyt zawodzi w teście funkcjonalnym z przerywanymi zwarciami na szynie 12V. Natychmiastowa reakcja z linii produkcyjnej to obwinianie maszyny do pick-and-place. Logika wydaje się słuszna: szybka dysza uderza delikatny ceramiczny komponent o płytę. Jeśli komponent jest pęknięty, na pewno robot uderzył go zbyt mocno.

Inżynierowie tracą tygodnie na kalibrację ciśnienia dyszy. Wymieniają podajniki. Nękają dostawcę, twierdząc, że "zła partia" kondensatorów zanieczyściła łańcuch dostaw. To jest Fallacy "Zła partia"—uspokajające kłamstwo, że zakup wadliwych części zawinął zespół procesu. Ale nowoczesne maszyny montażowe od Panasonic, Fuji czy ASM mają sprzężenie zwrotne siły tak czułe, że mogą wykryć mikrokrzywienia. O ile operator nie zgniecie 0201 dyszą przeznaczoną dla D-paka, maszyna jest niewinna.

Komponent nie pękł podczas montażu. Pękł później, gdy płyta się wygięła.

Anatomia Chevronu

Aby zrozumieć, dlaczego teoria montażu zawodzi, spójrz na martwy organizm. Ceramiczny kondensator (MLCC) jest w zasadzie blokiem szkła. Ma wysoką wytrzymałość na ściskanie, ale zero elastyczności rozciągającej. Gdy PCB się wygina, włókno szklane się rozciąga. Sztywny splot lutowniczy przekazuje to rozciąganie bezpośrednio do ceramicznego ciała.

Jeśli siła pochodziła z pionowego uderzenia—np. dyszy montażowej—pęknięcie wyglądałoby jak krater lub wgłębienie na powierzchni. To nie jest to, co rzuca się w oczy przy obniżeniu wydajności. Zabójcą jest pęknięcie na zakrzywieniu.

Pod mikroskopem przekroju charakterystyczny dla tego uszkodzenia jest wyraźny podpis: "chevron" lub pęknięcie pod kątem 45 stopni. Rozpoczyna się w dolnym rogu kondensatora, dokładnie tam, gdzie końcówka styku łączy się z ceramicznym ciałem, i propaguje się diagonalnie w górę. Ten kąt jest wynikiem napięcia rozciągającego, które rozciąga dolną część komponentu, gdy płyta się wygina pod spodem. To klasyczne uszkodzenie na skutek cięcia—fizyczny zapis płyty, która została wygięta ponad granice rozciągliwości ceramiki.

Prawdziwe niebezpieczeństwo tkwi w ukryciu. Często pęknięcie jest tak szczelne, że komponent przechodzi test ICT (In-Circuit Test), ponieważ płyty wciąż stykają się ze sobą. Ale kiedy płyta się nagrzewa podczas pracy lub drży na polu, pęknięcie się otwiera. Wchodzą w to wilgoć. Opór izolacji spada. Kondensator się zwarca. Płyta, która przeszła każdy test fabryczny, umiera w rękach klienta dwa miesiące później.

Miejsce zbrodni: rozczepianie

Jeśli maszyna do montażu nie wygięła płyty, to co się stało? Uszkodzenie najczęściej następuje podczas depanelowania—oddzielania poszczególnych płytek od panelu produkcyjnego.

Ręczne łamanie jest największym problemem. W produkcji masowej, wrażliwej na koszty – szczególnie dla towarów konsumenckich – panele często są nacięte rowkiem V (V-score) i oddzielane ręcznie. Co gorsza, operatorzy mogą używać metody „kolanowej” lub krawędzi stołu roboczego do łamania panela. To generuje ogromny, niejednorodny moment obrotowy. Fibry fiberglass FR4 się wygina, ale połączenia lutownicze nie. Naprężenie koncentruje się w najtwardszych punktach płyty: na padach lutowniczych dużych elementów ceramicznych.

Nawet rolki z ostrzem w stylu „pizza cutter” są niebezpieczne. Jeśli wysokość ostrza zostanie ustawiona nieprawidłowo lub jeśli operator przesunie panel pod kątem, płyta się wygięje. Proces nacięcia V-score polega na złamaniu pozostałego sieci materiału. To złamanie jest gwałtownym wydarzeniem mechanicznym, które wysyła falę uderzeniową przez fiberglass.

Jedyną bezpieczną metodą dla elektroniki wysokiej niezawodności jest frezarka (tab-route). Frez do frezowania usuwa materiał, nie powodując naprężeń na PCB. Jest wolniejsza, generuje pył i wymaga większej konserwacji. Ale nie wprowadza żadnego naprężenia zginającego. Menedżerowie często sprzeciwiają się przejściu na frezarki ze względu na karę za czas cyklu, licząc koszt bitu względem taniego ostrza V-score. Rzadko policzą koszt odsetek od odpadów 2% lub 50.000 wycofań z rynku spowodowanych ręcznym odseparowaniem.

Geometria to przeznaczenie

Jeśli frezarka jest niemożliwa, a V-score jest obowiązkowe, przetrwanie kondensatora zależy od ułożenia. Liczą się dwie zmienne: Orientacja i Odległość.

Orientacja jest najczęściej ignorowaną zasadą w projektowaniu PCB. Kondensator umieszczony równolegle do linii przerwania znajduje się w strefie zagrożenia. Gdy płytka zginie się wzdłuż V-score, długi os kondensatora się rozciąga. Cała długość elementu opiera się na zgięciu, i pęka.

Obróć ten sam element o 90 stopni, tak aby był prostopadły do linii przerwania. Teraz, gdy płytka się zgina, naprężenie działa na szerokość elementu, a nie na jego długość. Czołgi lutownicze działają jako punkt obrotu, a nie sztywne kotwica, co znacznie zmniejsza ryzyko pęknięcia.

Następnie jest odległość. Projektanci uwielbiają pakować komponenty tak, aby były jak najbliżej krawędzi płytki, aby zmniejszyć rozmiar obudowy. Polegają na Kontrolach Zasad Projektowania CAD (DRC), które wskazują, czy część znajduje się zbyt blisko. Standardowe kontrole DRC sprawdzają jednak elektryczne prześwit (miedź do miedzi), nie mechaniczne bezpieczeństwo. Kondensator może być elektrycznie bezpieczny 1mm od krawędzi, ale mechanicznie skazany na porażkę.

Strefa bezpieczna zwykle jest 5mm od dowolnej linii przerwania. Oczywiście to się różni — grubsza płytka o grubości 1,6mm przenosi więcej naprężeń niż cienka 0,8mm, a kierunek tkania szkła ma znaczenie. Ale 5mm to standardowa "liczba do spania w nocy". Jeśli kondensator 1206 znajduje się 2mm od V-części, równolegle do cięcia, nie chodzi o czy to pęka, ale kiedy.

Pas Bezpieczeństwa „Soft Termination”

Kiedy układ nie może zostać zmieniony — zazwyczaj ponieważ płytka już została zmontowana i wydajność spada — inżynierowie często sięgają po kondensatory „Soft Termination” lub „Flex-term”.

Standardowe kondensatory używają sztywnego zakończenia metalowego. Soft termination dodaje warstwę przewodzącej żywicy epoksydowej między miedzią a powłoką niklowo-tytową. Ta żywica działa jak amortyzator, umożliwiając lekko odklejenie się zakończenia od ceramicznego ciała podczas zginania. To przerwałoby połączenie elektryczne (fail open), a nie pękło ceramiczne (fail short).

Często pojawia się tu zamieszanie, gdy kierownicy zakupów pytają, czy dodatkowy koszt jest tego wart. To działa, ale nie jest magiczne. Zwiększa tolerancję zginania z około 2mm odchylenia do 5mm. Pomyśl o tym jak o poduszce powietrznej. Poduszka powietrzna zmniejsza wskaźniki śmiertelności, ale nie oznacza, że możesz wjechać w ścianę z cegieł z prędkością 60 mil na godzinę. Jeśli proces oddzielania płytek polega na operatorze, który łamie płytkę na kolanie, soft termination nie uratuje części. To jest siatka bezpieczeństwa, a nie lekarstwo na zły proces.

Weryfikacja: dowód dymny

Więc jak udowodnić kierownictwu, że to proces jest winny, a nie dostawca? Odpowiedź tkwi w testach destrukcyjnych.

Wyślij nieudany układ na badanie do laboratorium w celu wykonania testu „Dye-and-Pry”. Technika zalewa obszar czerwonym barwnikiem, umieszcza układ w komorze próżniowej, aby wymusić przenikanie tuszu do ewentualnych pęknięć, a następnie mechanicznie odkleja element od układu. Jeśli na powierzchni pęknięcia pojawia się czerwony tusz, oznacza to, że pękł. zanim testu.

Jeśli tusz ujawni sygnaturę w formie 45-stopniowego chevronu, to znaczy, że spór się zakończył. To pęknięcie w zginaniu. Nie wydarzyło się to u sprzedawcy. Nie wydarzyło się to na maszynie montażowej. Stało się, gdy układ był wyginany. Przejdź się po linii produkcyjnej. Obserwuj, jak oddzielają się panele. Słuchaj trzasku. Ten dźwięk to dźwięk pieniędzy opuszczających fabrykę.