ฆาตกรเงียบของการผลิต: ทำไม MLCC ของคุณถึงแตก (และไม่ใช่เครื่องวางตำแหน่ง)

สายลดยาวลง กราฟผลผลิตลดลง ชุดบอร์ดยืนยันการทดสอบฟังก์ชันล้มเหลวพร้อมการลัดวงจรเป็นระยะบนสายไฟ 12V การตอบสนองทันทีจากสายงานการผลิตคือการตำหนิเครื่องวางและหยิบจับ การวิเคราะห์ดูเหมือนสมเหตุสมผล: หัวฉีดความเร็วสูงทุบชิ้นส่วนเซรามิกอ่อนแอไปยังบอร์ด หากชิ้นส่วนแตกร้าว แน่นอนว่าหุ่นยนต์ก็โจมตีมันแรงเกินไป

วิศวกรมักเสียสัปดาห์ในการปรับเทียบแรงดันหัวฉีด พวกเขาสลับหัวจ่ายสาร เข้าหาเจ้าภาพกล่าวหา “ชุดชิ้นส่วนคุณภาพไม่ดี” ที่ปนเปื้อนในซัพพลายเชน นี่คือ "ความผิดพลาดของชุดชิ้นส่วนไม่ดี" — ความเชื่อที่ปลอบใจว่าการซื้อชิ้นส่วนที่เสียมาเป็นของซื้อของขาย ทำให้ทีมกระบวนการไม่ต้องรับผิดชอบ แต่เครื่องวางตำแหน่งรุ่นใหม่จาก Panasonic, Fuji หรือ ASM มีวงจร feedback ที่ไวมากจนสามารถตรวจจับการผิดแนวได้ละเอียดถึงไมครอน นอกจากจะเป็นคนควบคุมเครื่องที่บดบี้ 0201 ด้วยหัวฉีดที่ออกแบบมาสำหรับ D-pack เครื่องก็น่าจะเป็นผู้บริสุทธิ์

ชิ้นส่วนไม่ได้แตกในระหว่างการวาง แต่แตกในภายหลัง เมื่อบอร์ดโค้ง

โครงสร้างของเชฟรอน

เพื่อดูว่าวิธีการวางตำแหน่งล้มเหลวได้อย่างไร ให้ดูซากศพ ตัวเก็บประจุเซรามิก (MLCC) เป็นเสมือนบล็อกแก้ว มันมีความแข็งแรงในการอัดสูงแต่ไม่มีความยืดหยุ่นในแนวดึง เมื่อแผ่นวงจรพิมพ์โค้งงอ กลาสไฟเบอร์จะแตกออก ฟิลเลตบัดกรีที่แข็งแรงถ่ายเทการยืดนั้นเข้าสู่ตัวเซรามิกโดยตรง

ถ้แรงมาจากการกระแทกในแนวตั้ง — เช่น หัวฉีดวางตำแหน่ง — รอยร้าวจะดูเหมือนหลุมอุกกาบาตหรือร่องบนพื้นผิว นั่นไม่ใช่สิ่งที่ทำให้ผลผลิตลดลง ตัวทำลายคือ รอยร้าวของการโค้งงอ.

ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบตัดขวาง การล้มเหลวนี้มีลักษณะเด่น: รอยร้าวแบบเชฟรอนหรือมุม 45 องศา เริ่มต้นจากมุมล่างของตัวเก็บประจุ ตรงจุดที่ส่วนปลายเชื่อมต่ อกับตัวเซรามิก และแพร่กระจายขึ้นด้านบนในแนวทแยง มุมนี้เป็นผลจากความเครียดในแนวดึงที่ดึงด้านล่างของชิ้นส่วนออกเมื่อบอร์ดโค้งงออยู่ด้านล่าง มันคือการล้มเหลวแบบเชิร์ฟในตำราวิชา ฟิสิกส์บันทึกภาพของบอร์ดที่โค้งงอเกินขีดจำกัดความเครียดของเซรามิก

ความอันตรายที่แท้จริงที่นี่คือความซ่อนเร้น บ่อยครั้ง รอยร้าวแน่นพอที่ชิ้นส่วนจะผ่านการทดสอบในวงจร (ICT) เพราะแผ่นยังสัมผัสกันอยู่ แต่เมื่อบอร์ดร้อนขึ้นในการใช้งานหรือสั่นในสนาม รอยร้าวจะเปิด น้ำเข้ามา ความต้านทานฉนวนลดลง ตัวเก็บประจุสายลัด บอร์ดที่ผ่านการทดสอบทุกอย่างในโรงงานจะตายภายในสองเดือนในมือของลูกค้า

ฉากเกิดเหตุ: การแยกแผงวงจร

ถ้าเครื่องวางตำแหน่งไม่ได้โค้งงอบอร์ด ไปแล้วมันเกิดอะไรขึ้น ความเสียหายมักเกิดขึ้นในช่วงแยกแผง—แยกบอร์ดย่อยออกจากแผงการผลิต

การพับด้วยมือเป็นผู้กระทำผิดที่รุนแรงที่สุด ในกระบวนการผลิตที่ปริมาณสูงและเน้นต้นทุน—โดยเฉพาะสำหรับสินค้าอุปโภคบริโภค—แผงจะถูกสกอร์ด้วยร่อง V (V-score) แล้วแยกด้วยมือ ยิ่งแย่ไปกว่านั้น ผู้ปฏิบัติงานอาจใช้ “วิธีเข่า” หรือขอบของโต๊ะทำงานเพื่อพับแผง วิธีนี้ทำให้เกิดแรงบิดที่มีขนาดใหญ่และไม่สม่ำเสมอ ส่วนไฟเบอร์กลาส FR4 โค้งงอ แต่จุดเชื่อมต่อ Solder ไม่ โฟกัสอยู่ที่จุดแข็งที่สุดบนบอร์ด: พื้นที่ทากบใหญ่ของส่วนประกอบเซรามิก

ตัวแยกแบบมีใบมีดกลิ้งสไตล์ “พิซซ่า cutter” ก็เป็นอันตรายเช่นกัน หากความสูงของใบมีดตั้งผิด หรือหากผู้ปฏิบัติงานผลักแผงไปในมุมเล็กน้อย แผงก็จะโค้งงอ กระบวนการสกอร์ V อาศัยการทำลายเนื้อเยื่อที่เหลืออยู่ของวัสดุ การแตกนี้เป็นเหตุการณ์กลไกที่รุนแรง ส่งผลกระทบเป็นคลื่นช็อกผ่านไฟเบอร์กลาส

วิธีเดียวที่ปลอดภัยสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความน่าเชื่อถือสูงคือการใช้เครื่องตัด (tab-route) ใบมีดของเครื่องตัดจะทำการกัดวัสดุออกโดยไม่ทำให้เกิดความเครียดบน PCB มันช้ากว่า เกิดฝุ่น และต้องบำรุงรักษามากกว่า แต่ก็ไม่สร้างความเครียดจากการโค้งงอเลย ผู้จัดการมักต่อต้านการเปลี่ยนไปใช้เครื่องตัดเพราะค่าใช้จ่ายใน cycle time คำนวณเป็นต้นทุนของใบมีด versus ใบมีดสกอร์ V ราคาถูก พวกเขาแทบไม่คำนวณต้นทุนของอัตราขยะ 2% หรือการเรียกคืนในสนาม $50,000 รายการซึ่งเกิดจากการแยกด้วยมือ

เรขาคณิตคือชะตากรรม

หากไม่เป็นไปได้ที่จะใช้เครื่องตัดและ V-score เป็นสิ่งจำเป็น การอยู่รอดของคาปาซิเตอร์ขึ้นอยู่กับการวางผัง พารามิเตอร์สองตัวมีผล: การวางแนว และ ระยะห่าง.

การวางแนวเป็นกฎเดียวที่ถูกละเลยมากที่สุดในการออกแบบ PCB คาปาซิเตอร์วางไว้ ขนาน กับเส้นรอยแตกอยู่ในโซนที่อันตราย เมื่อบอร์ดโค้งตาม V-score แกนยาวของคาปาซิเตอร์จะยืดออก เนื้อหาส่วนประกอบทั้งหมดต่อต้านการงอ แล้วมันก็จะพับจนแตก

หมุนคาปาซิเตอร์เดียวกันนั้น 90 องศา เพื่อให้มัน ตั้งฉาก กับเส้นรอยแตก ตอนนี้เมื่อบอร์ดโค้งงอ ความเครียดจะเกิดขึ้นกับความกว้างของชิ้นส่วน ไม่ใช่ความยาว จุดเชื่อมต่อ Solder ทำหน้าที่เป็นจุดหมุนมากกว่าการติดตั้งแน่นหนา โดยลดความเสี่ยงของการแตกร้าวอย่างมีนัยสำคัญ

จากนั้นก็มีระยะห่าง นักออกแบบชอบบรรจุส่วนประกอบชิดขอบบอร์ดเพื่อให้ขนาดเล็กลง พวกเขาพึ่งพาการตรวจสอบกฎการออกแบบ (DRC) ของ CAD เพื่อเตือนถ้าส่วนประกอบใกล้เกินไป แต่การตรวจสอบ DRC มาตรฐานจะตรวจสอบเฉพาะ ไฟฟ้า ช่องว่าง (ทองแดงถึงทองแดง), ไม่ใช่ กลไก ความปลอดภัย ตัวเก็บประจุสามารถปลอดภัยทางไฟฟ้าได้ 1 มม. จากขอบ แต่ทางกลล้มเหลว

โซนปลอดภัยโดยทั่วไปคือ 5 มม. จากเส้นแบ่งใดๆ แน่นอนว่าขึ้นอยู่กับความหนาของบอร์ด—บอร์ดความหนา 1.6 มม. รับแรงกดมากกว่าบอร์ดความหนา 0.8 มม. และทิศทางการทอแก้วก็สำคัญ แต่ 5 มม. เป็นตัวเลขมาตรฐานที่นอนหลับสบาย ถ้าคาปาซิเตอร์ขนาด 1206 อยู่ห่างจาก V-score 2 มม. ขนานกับการตัด ก็ไม่ได้เป็นเรื่องของ ถ้า มันจะร้าว แต่ เมื่อ.

แถบ “การตัดจบแบบนุ่มนวล”

เมื่อเลย์เอ้าท์ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ — โดยปกติเนื่องจากบอร์ดถูกหมุนแล้วและอัตราการผลิตลดลง วิศวกรมักใช้ตัวเก็บประจุ “Soft Termination” หรือ “Flex-term”

ตัวเก็บประจุมาตรฐานใช้การตัดจบโลหะที่แข็ง ตัวตัดจบแบบนุ่มเพิ่มชั้นเรซินอีพ็อกซี่นำไฟฟ้าระหว่างทองแดงกับการชุบเงิน/ทองคำ ซึ่งเรซินนี้ทำหน้าที่เป็นกันกระแทก ช่วยให้การตัดจบลื่นหลุดเล็กน้อยจากตัวเซรามิกเวลางอ งี่เง่าที่เชื่อมต่อไฟฟ้าขาด (ปล่อยให้เปิด) แทนที่จะร้าวตัวเซรามิก (เกิดไฟฟ้าลัดวงจร)

มักจะมีความสับสนเกิดขึ้น เมื่อผู้จัดซื้อสอบถามว่าค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมคุ้มค่าหรือไม่ มันใช้งานได้ แต่ไม่ใช่เวทมนตร์ มันเพิ่มความทนทานในการงอจากประมาณ 2 มม. ของการเบี่ยงเบนเป็น 5 มม. คิดซะว่าเป็นถุงลมนิรภัย ถุงลมนิรภัยช่วยลดอัตราการเสียชีวิต แต่ไม่ได้หมายความว่าคุณจะขับรถชนกำแพงอิฐด้วยความเร็ว 60 ไมล์ต่อชั่วโมง ถ้าขั้นตอนการแยกบอร์ดต้องให้คนปั้นให้บอร์ดแตก ก็การตัดจบแบบนุ่มนวลจะไม่ช่วยชิ้นส่วน มันเป็นเชือกนิรภัย ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหากระบวนการไม่ดี

การตรวจสอบ: หลักฐานชัดเจน

ดังนั้นแล้ว คุณจะพิสูจน์ให้ผู้บริหารเห็นว่ากระบวนการผิด ไม่ใช่ซัพพลายเออร์ได้อย่างไร คำตอบอยู่ในการทดสอบแบบทำลายล้าง

ส่งแผ่นบอร์ดที่ล้มเหลวไปยังห้องปฏิบัติการสำหรับการทดสอบ “Dye-and-Pry” ช่างเทคนิคจะฉีดสีแดงลงในบริเวณนั้น จากนั้นวางแผ่นบอร์ดในห้องสุญญากาศเพื่อบังคับให้หมึกซึมเข้าในรอยแตก แล้วจึงลอกชิ้นส่วนออกอย่างกลไก ถ้ามีหมึกสีแดงอยู่บนผิวร้าว แสดงว่ารอยร้าวมีอยู่แล้ว ก่อนหน้านี้ การทดสอบ

ถ้าหมึกแสดงให้เห็นลายเซ็นต์เชิญบอน 45 องศา ก็จบการโต้แย้ง นั่นคือรอยแตกแบบรอยโค้ง มันไม่ได้เกิดขึ้นที่ผู้ขาย It didn't happen at the vendor. It didn't happen in the placement machine. มันเกิดขึ้นเมื่อบอร์ดงอ ดูสายการผลิตสิ คอยดูว่าหน้าจอแยกกันอย่างไร ฟังเสียงแกรก เสียงนั้นคือเสียงแห่งเงินที่ออกจากโรงงาน