Бесшумный убийца урожайности: почему ваши MLCC постоянно трескаются (и это не машина для укладки)

Линия идет вниз. Кривая выхода падает. Партия плат не проходит функциональный тест с прерывистыми короткими замыканиями на линии 12V. Немедленная реакция с производственной площадки — винить машину для установки компонентов. Обоснование кажется разумным: высокоскоростная насадка с ударами бьет хрупкий керамический компонент по плате. Если компонент треснул, значит, робот ударил его слишком сильно.

Инженеры теряют недели, калибруя давление насадки. Меняют подающие устройства. Настойчиво требуют у поставщика, утверждая, что "плохая партия" конденсаторов загрязнила цепочку поставок. Это заблуждение "Плохой партии" — утешительная ложь о том, что покупка бракованных деталей освобождает команду по процессу ответственности. Но современные машины для установки компонентов от Panasonic, Fuji или ASM имеют обратную связь по силе, настолько чувствительную, что могут обнаружить смещение на микронах. Пока оператор не раздавит 0201 с помощью насадки, предназначенной для D-пакета, машина невинна.

Компонент не сломался во время установки. Он сломался позже, когда плата согнулась.

Анатомия галстука с V-образным вырезом

Чтобы понять, почему теория установки не работает, взгляните на труп. Керамический конденсатор (MLCC) по сути — это блок стекла. Он обладает высокой сопротивляемостью к сжимающим усилиям, но нулевой гибкостью на растяжение. Когда плата гнется, стекловолокно растягивается. Жесткие припои передают это растяжение прямо в керамический корпус.

Если сила исходила от вертикального удара — например, насадки для установки — трещина будет выглядеть как в кратер или вмятину на поверхности. Это не причина снижения выхода. Убийца — это изгиб во время трещины.

Под микроскопом поперечного сечения, этот сбой имеет отчетливую подпись: «галстук» или трещина под углом 45 градусов. Она начинается в нижнем углу конденсатора, прямо там, где терминал соединяется с керамическим телом, и распространяется по диагонали вверх. Этот угол является результатом растяжения, тянущего низ компонента apart, когда плата изгибается под ним. Это классический срез сдвиговой трещины — физическая запись о том, как плата была изгнута за пределы предела деформации керамики.

Настоячная опасность — скрытность. Часто трещина достаточно плотная, чтобы компонент проходил в целях проверки на наличие прерываний (ICT), потому что пластины все еще касаются друг друга. Но как только плата нагревается в ходе эксплуатации или вибрирует на поле, трещина раскрывается. Влага проникает внутрь. Изоляционное сопротивление падает. Конденсатор замыкается. Плата, прошедшая все заводские проверки, умирает у клиента через два месяца.

Место преступления: Демонтаж платы

Если машина для монтажа не изгибала плату, что же тогда? Повреждения почти всегда происходят во время депанелирования — отделения отдельных плат от производственного модуля.

Ручной слом — самый плохой вариант. В массовом производстве с высокой стоимостью — особенно для потребительских товаров — панели часто прорезают V-образными линиями (V-score) и разделяют вручную. Еще хуже, если операторы используют «метод колена» или край столешницы для слома панели. Это создает огромный, непоследовательный крутящий момент. FR4 — стекловолокно — гнется, а монтажные соединения — нет. Напряжение концентрируется в самых жестких точках платы: в припаянных площадках крупных керамических компонентов.

Даже роликовые сепараторы типа “пицца-нож” опасны. Если высота лезвия установлена неправильно или если оператор проталкивает панель под небольшим углом, плата изгибается. Процесс V-score основан на разрыве оставшейся части материала. Этот разрыв — жесткое механическое событие, вызывающее ударную волну через стекловолокно.

Единственный безопасный метод для электроники высокой надежности — фрезерование (tab-route). Фреза вырезает материал, не создавая напряжения на плате. Это медленнее, производится пыль и требует большего обслуживания. Но при этом не возникает изгибающего напряжения. Менеджеры часто сопротивляются переходу на фрезеры из-за увеличения времени цикла, сравнивая стоимость фрезы с дешевой V-score-лентой. Они редко считают стоимость брака {%} или полное списание {$} 50 000 единиц на поле, которое вызвано ручным разделением.

Геометрия — это судьба

Если использовать фрезер невозможно и V-score обязателен, выживание конденсатора зависит от раскладки. Два фактора важны: Ориентация и расстояние.

Ориентация — это самое игнорируемое правило в проектировании PCB. Конденсатор, расположенный параллельно линии разрыва находится в опасной зоне. Когда плата изгибается вдоль V-score, длинная ось конденсатора растягивается. Вся длина компонента сопротивляется изгибу и ломается.

Поверните тот же компонент на 90 градусов, чтобы он был перпендикулярно линии разрыва. Теперь, когда плата изгибается, стресс прикладывается к ширине компонента, а не к длине. Пайки выступают как точка поворота вместо жесткой опоры, что значительно снижает риск трещин.

Затем есть расстояние. Проектировщики любят располагать компоненты вплотную к краю платы, чтобы уменьшить габариты. Они полагаются на проверку правил проектирования (DRC) в CAD, чтобы указать, если деталь слишком близко. Но стандартная проверка DRC учитает только электрическую очистка (медь по медь), не механическую безопасность. Конденсатор может быть в электрическом безопасности 1мм от края, но механически обречен.

Безопасная зона обычно 5мм от любого разреза. Это, конечно, варьируется — толстая плата толщиной 1,6 мм передает больше стресса, чем тонкая 0,8 мм, и направление стекловолокна важно. Но 5 мм — стандартное число "спать спокойно". Если конденсатор 1206 расположен на расстоянии 2 мм от V-образного прореза, параллельно линии разреза, это не вопрос если его трещины, а когда.

«Мягкая терминаль» брэнд-еид

Когда макет изменить невозможно — обычно потому, что плата уже вращена и выход продукции падает — инженеры часто выбирают "Мягкую терминаль" или "Flex-term" конденсаторы.

Стандартные конденсаторы используют твердую металлическую терминаль. Мягкая терминаль добавляет слой проводящей эпоксидной смолы между медью и никелево-оловянным покрытием. Эта смола действует как демпфер, позволяя термину чуть отслоиться от керамического корпуса при изгибе. Это разрывает электрическую цепь (отказ в открытом состоянии), а не трескает керамику (отказ в коротком соединении).

Здесь часто возникает путаница, когда менеджеры закупок спрашивают, стоит ли доплата того. Это работает, но не магия. Оно увеличивает допустимый прогиб с, возможно, 2 мм до 5 мм. Можно сравнить с подушкой безопасности. Подушка уменьшает смертность, но не означает, что можно врезаться в кирпичную стену со скоростью 60 миль/ч. Если процесс отсоединения включает в себя оператора, ломящего плату за колено, мягкая терминаль не спасет деталь. Это страховка, а не решение плохого процесса.

Валидность: Курительная пуля

Итак, как вы доказываете руководству, что виноват именно процесс, а не поставщик? Ответ заключается в деструктивном тестировании.

Отправьте неработающую плату в лабораторию для теста «Краситель и подделка». Техник заливает область красным красителем, помещает плату в вакуумную камеру, чтобы активировать чернила в трещинах, а затем механически отделяет компонент от платы. Если на поверхности разлома виден красный краситель, трещина существовала. до этот тест.

Если чернила показывают подпись с зигзагом под 45 градусов, спор окончен. Это изгибная трещина. Она не возникла у поставщика. Она не возникла в машине для установки компонентов. Она произошла, когда плату гнули. Пройдите по производственной линии. Посмотрите, как разделяются панели. Послушайте щелчок. Этот звук — звук денег, уходящих из фабрики.