O Assassino Silencioso do Rendimento: Por que seus MLCCs continuam rachando (E não é a máquina de colocação)

A linha cai. O gráfico de rendimento despenca. Um lote de placas falha no teste funcional com curtos intermitentes na linha de 12V. A reação imediata da produção é culpar a máquina de colocar componentes. O raciocínio parece correto: uma boquilha de alta velocidade joga um componente cerâmico frágil na placa. Se o componente estiver trincado, certamente o robô bateu nele com força demais.

Engenheiros perdem semanas calibrando a pressão da boquilha. Trocam alimentadores. Abordam o fornecedor, alegando que um “lote ruim” de capacitores contaminou a cadeia de suprimentos. Essa é a Falácia do “Lote Ruim”—a mentira reconfortante de que comprar partes defeituosas isenta a equipe do processo de responsabilidade. Mas máquinas de colocação modernas da Panasonic, Fuji ou ASM possuem loops de feedback de força tão sensíveis que detectam desalinhamentos de microns. A menos que um operador esteja esmagando um 0201 com uma boquilha destinada a um D-pack, a máquina é inocente.

O componente não quebrou durante a colocação. Quebrou depois, quando a placa se deformou.

A Anatomia do Chevron

Para entender por que a teoria da colocação falha, observe o cadáver. Um capacitor cerâmico (MLCC) é essencialmente um bloco de vidro. Tem alta resistência à compressão, mas zero flexibilidade à tração. Quando uma PCB se deforma, a fibra de vidro alonga. Os filamentos de solda rígidos transferem esse alongamento diretamente para o corpo de cerâmica.

Se a força veio de um impacto vertical—como uma boquilha de colocação—a rachadura pareceria um crater ou uma depressão na superfície. Isso não é o que mata o rendimento. O que destrói é o rachadura de flexão.

Sob um microscópio de corte transversal, essa falha possui uma assinatura distinta: a rachadura em «chevron» ou com ângulo de 45 graus. Ela inicia no canto inferior do capacitor, exatamente onde a terminação encontra o corpo de cerâmica, e se propaga diagonalmente para cima. Esse ângulo é resultado da tensão de tração puxando a parte inferior do componente enquanto a placa se flexiona por baixo. É uma falha por cisalhamento de livro didático—um registro físico de uma placa deformada além do limite de deformação da cerâmica.

O perigo real aqui é o stealth. Muitas vezes, a rachadura é tão apertada que o componente passa no Teste em Circuito (ICT) porque as placas ainda estão em contato. Mas, uma vez que a placa aquece em funcionamento ou vibra no campo, a rachadura se abre. A umidade entra. A resistência de isolamento cai. O capacitor faz curto. Uma placa que passou em todos os testes de fábrica morre nas mãos do cliente dois meses depois.

A Cena do Crime: Depanelização

Se a máquina de colocação não deformou a placa, o que o fez? O dano quase sempre ocorre durante a depanelização—separando as placas individuais do painel de produção.

A quebra manual é a pior infratora. Em produções de alto volume e sensíveis ao custo—especialmente para bens de consumo—os painéis são frequentemente pontuados com uma ranhura em V (pontuação em V) e separados manualmente. Ainda pior, os operadores podem usar o “método do joelho” ou a borda de uma bancada para quebrar o painel. Isso aplica um torque massivo e inconsistente. A fibra de vidro FR4 se deforma, mas as conexões de solda não. O estresse se concentra nos pontos mais rígidos da placa: as áreas de solda de componentes cerâmicos grandes.

Mesmo separadores de lâmina rotativa do estilo “cortador de pizza” são perigosos. Se a altura da lâmina estiver incorretamente ajustada, ou se o operador empurrar o painel em um ângulo leve, a placa se curva. Um processo de pontuação em V depende de quebrar a web restante do material. Essa quebra é um evento mecânico violento que envia uma onda de choque através da fibra de vidro.

O único método seguro para eletrônicos de alta confiabilidade é a fresadora (tab-route). Uma broca de fresadora remove o material, sem gerar estresse na PCB. É mais lenta, produz poeira e requer mais manutenção. Mas não introduz tensão de flexão. Os gestores geralmente resistem à troca por fresadoras por causa da penalidade no tempo de ciclo, calculando o custo da usa da broca versus a lâmina V econômica. Raramente calculam o custo de uma taxa de sucata de 2% ou uma recall de campo de $50.000 causada pela separação manual.

A Geometria é o Destino

Se uma fresadora for impossível e a pontuação em V for obrigatória, a sobrevivência do capacitor depende do layout. Duas variáveis são importantes: Orientação e Distância.

A orientação é a regra mais ignorada no design de PCB. Um capacitor colocado paralelamente à linha de ruptura está na zona de risco. Quando a placa se curva ao longo da pontuação em V, o eixo longo do capacitor se alonga. O comprimento total do componente resiste à curva, e ele quebra.

Gire esse mesmo componente 90 graus, de modo que fique perpendicular à linha de ruptura. Agora, quando a placa se curva, o estresse se aplica à largura do componente, não ao comprimento. As conexões de solda atuam como um ponto de pivô em vez de uma âncora rígida, reduzindo exponencialmente o risco de trincas.

Então, há distância. Os designers adoram encaixar componentes bem na borda da placa para reduzir o tamanho do produto. Eles confiam nas Verificações de Regras de Projeto assistidas por CAD (DRC) para sinalizar se uma peça está muito próxima. Mas a verificação padrão de DRC é por elétrico espaçamento (cobre para cobre), não mecânico segurança. Um capacitor pode estar eletricamente seguro a 1mm da borda, mas mecanicamente condenado.

A zona de segurança é normalmente 5mm de qualquer linha de quebra. Isso varia, é claro—uma placa grossa de 1,6mm transfere mais estresse do que uma fina de 0,8mm, e a direção do entrelaçamento do vidro importa. Mas 5mm é o número padrão de 'dormir tranquilo'. Se um capacitor 1206 estiver a 2mm de uma linha de V-score, paralelo ao corte, não é uma questão de se ele rachar, mas quando.

A faixa de 'Terminação Suave' Band-Aid

Quando o layout não pode ser alterado—normalmente porque a placa já foi montada e a produção está caindo—os engenheiros frequentemente recorrem a capacitores de 'Terminação Suave' ou 'Flex-term'.

Capacitores padrão usam uma terminação de metal rígido. A terminação suave adiciona uma camada de resina epóxi condutora entre o cobre e o revestimento de níquel/tin. Essa resina atua como um amortecedor de impacto, permitindo que a terminação se desgarre levemente da parte cerâmica durante uma dobra. Isso quebra a conexão elétrica (falha aberta) ao invés de rachar a cerâmica (falha curta).

Há frequentemente confusão aqui, com gerentes de compras perguntando se o custo extra vale a pena. Funciona, mas não é mágica. Aumenta a tolerância à flexão de talvez 2mm de deflexão para 5mm. Pense nisso como um airbag. Um airbag reduz as taxas de fatalidade, mas não significa que você pode colidir numa parede de tijolos a 60mph. Se o processo de desfilamento envolver um operador quebrando a placa com o joelho, a terminação suave não salvará a peça. É uma rede de segurança, não uma cura para um processo ruim.

Validação: A Prova do Fumo

Então, como provar para a gerência que o processo é o culpado, não o fornecedor? A resposta está nos testes destrutivos.

Envie a placa falha para o laboratório para um teste de “Dye-and-Pry”. O técnico inunda a área com corante vermelho, coloca a placa em uma câmara de vácuo para forçar a tinta a entrar em fissuras, e então descasca mecanicamente o componente da placa. Se houver tinta vermelha na face de fratura, a rachadura existia antes o teste.

Se a tinta revelar aquela assinatura de chevron de 45 graus, o argumento acabou. Aquela é uma rachadura de flexão. Não ocorreu no fornecedor. Não ocorreu na máquina de posicionamento. Aconteceu quando a placa foi dobrada. Vá até a linha de produção. Observe como os painéis são separados. Ouça o estalo. Esse som é o som do dinheiro saindo da fábrica.