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轻触开关的失效分析与解决方案

SMT轻触开关在消费电子产品及医疗手持设备中有着非常广泛的应用。其功能需要通过机械方式触动以接通电流信号。
本文针对SMT轻触开关翘起失效问题进行了系统的分析如应力测试分析、有限元分析、公差累积分析、可装配性设计分析、实验设计等,并给出了相应的解决方案。

SMT轻触开关在消费电子产品及医疗手持设备中有着非常广泛的应用。其功能需要通过机械方式触动以接通电流信号。在对SMT轻触开关的失效进行工艺分析和验证时不仅涉及到SMT工艺,还需要涉及机械组装工艺、测试及可靠性检测等多个方面,因此SMT轻触开关的失效分析具有很大的挑战。从实际的失效分析过程来看,焊点失效并不是唯一的原因,其背后还有大量的其它因素,所以需要运用到多种失效分析的手段和方法。

本文针对SMT轻触开关翘起失效问题进行了系统的分析如应力测试分析、有限元分析、公差累积分析、可装配性设计分析、实验设计等,并给出了相应的解决方案。

在某医疗电子产品设计样机验证阶段发现有轻触开关翘起失效问题。不良现象是开关的焊脚与焊盘分离。虽然不良率只有0.2%,但未发生翘起的轻触开关焊点已经存在开裂现象,这是非常大的可靠性风险。

不良样品初步失效分析
为了确定解决问题的方向,使用同一批次的物料做小批量生产,再现了故障现象。由此制定针对此问题的破坏性和非破坏性分析与检验的方案。

2D X-光检查
X-光能有效检查出外壳包封的开关翘起不良问题。但细小的裂纹是无法检查出来的,需通过切片分析。

光学检测
拆除外壳,取出PCBA,光学检测很容易发现明显翘起不良。但对于焊锡中的裂纹是很难检查出来的。

切片分析
切片分析对揭示裂纹失效的原理是非常有用的方法,裂纹分布从脚后跟开始向下延伸到脚尖。

在1500倍显微镜下对裂纹进行观察与分析,机械冲击应力导致元件引脚从脚后跟开始与焊锡分离,随着应力的增加,裂纹从强度较弱的IMC层开始发生。

轻触开关翘起和焊点开裂原因分析
根据切片分析结果,与机械应力相关的因素就成为了故障失效分析的重要方向。鱼骨图有助于找出导致机械应力的各种潜在因素,然后逐一进行测试验证。

组装工序过程中较大应力的假设验证
在各组装工序中,环亚对四个最有可能产生较大机械应力的工位进行了应力测试。这四个工位分别是:分板工位、热熔焊接工位、外壳组装工位和最终测试工位。

应力片贴在轻触开关位置,目的是得到轻触开关位置在组装时的最大应力。 测试发现产生最大瞬间应力是在分板工位,最大应力值为810 ue。

参照IPC-9704A的标准,分板过程中产生的最大应力处于可接受的范围。但还是有减少应力峰值的空间,因此,需要安排进一步的假设检验和验证测试。

引脚焊点脆化的假设验证
推力测试
取一个合格的样品进行推力测试,以检测元件从焊盘上剥落时的最大推力值。通常作用于开关上的操作压力最大为15牛顿,推力测试结果表明平均剥离值为72牛顿,远远超过元件规格书上标称的29.4牛顿的极限值,表明开关焊接效要良好。

轻触开关引脚镀层检测
轻触开关元件脚材料是表面镀银的磷青铜,表面镀银可增强基底金属的可焊性。然而过厚的镀银会导致焊点脆化。对SMT元件而言,银镀层厚度范围通常从0.2微米到0.4微米。进行X射线荧光检测(XRF)时,参照ASTM B568 1998(2004)的标准,在所有检测区域的银厚度是均匀的(0.3微米)。因此轻触开关元件脚材料不是元件翘起和焊点开裂的原因。

元件引脚可焊性测试
由于银镀层容易与空气中的硫反应而变色,可能降低材料的可焊性,所以需要对引脚的可焊性进行检查。通过测试发现样品的可焊性良好。因此,轻触开关引脚的可焊性也不是翘起和焊点开裂的原因。

分板应力
分板过程中产生的应力可以通过对刀具和夹具进行优化而降低,但是效果十分有限。对PCB拼板设计进行优化也有可能大幅度地降低分板过程中产生的应。PCB拼板不同的连接位置对元件在分板时所受的应力有很大的影响,新的拼板设计改变了连接点的位置。通过改善设计,有限元FEA分析结果预测应力减少了47%,这也将会大大降低轻触开关翘起和焊点开裂的风险。

干涉分析
干涉是产生机械应力风险最大的因素。因此,针对轻触开关的相关结构部件进行了DFA分析,并通过有限元FEA分析对不同的设计方案进行模拟比较,以确定降低机械应力的优化方案。通过分析,DFA分析人员发现原有设计存在过度机械应力的潜在问题。由于没有恰当的极限停止位置的设置,轻触开关存在0.25mm的过压距离,这为过度机械应力的产生提供了可能。DFA分析人员通过与设计人员进行讨论确定了三种解决方案:

轻触开关处的PCB边缘向外延伸
在背光板壳体处加筋
轻触开关贴装位置向板内移动
对无限位和有限位的设计分别做了有限元分析,有限位的位移减少了29%,剪切应力减少了20%。限位吸收了开关触发过程中作用于引脚焊点上的大部分应力。这也证明了增加限位的必要性。

定位脚与定位孔的公差配合
轻触开关的定位脚与PCB定位孔之间如有干涉将会对其SMT贴装工序产生影响,如果其公差配合临界,将会有一定的机械应力风险。通过对轻触开关的定位脚和PCB定位孔的公差累积分析,计算出定位脚与定位孔之间的最小间隙为-0.063mm,也就是存在轻微干涉。因此,在SMT贴装过程中存在轻触开关的定位脚不能很好地插入PCB定位孔的风险。严重的不良情况,在回流焊接前会被目视检查位发现。轻微的不良将会遗漏到后道工序,并产生一定的机械应力。根据均方根之和(Root Square Sum)分析法预测,该不良率为7153PPM。

建议将PCB定位孔尺寸和公差从0.7mm +/- 0.05mm修改为0.8mm +/- 0.05mm。针对优化方案再次进行公差累计分析。结果表明定位柱与定位孔之间的最小间隙为+0.037mm,干涉的风险也就消除了。

对目前使用的轻触开关的结构进行分析,发现元件的两个焊接引脚是悬空的,它同PCB焊盘之间有60um的间隙,这对SMT焊接工艺提出了挑战,需要考虑阶梯钢网的使用。 通过同供应商和设计工程师的沟通,发现另外一种型号的4引脚的轻触开关可以考虑。4引脚轻触开关的引脚同焊盘之间没有任何间隙,采用普通钢网就可以满足SMT工艺要求,而且4引脚轻触开关对机械应力的承受能力更强。因此,该型号的轻触开关被引入到后续的试运行中进行了验证。

机械应力改善验证与结果
根据潜在因素验证分析的结果,需要对分板过程中的过应力,机械干涉,定位脚与定位孔的公差配合以及器件结构这四个方面进行改善验证。在试运行中,为了有效地检查出开关翘起的缺陷,设计了一组专用的推力测试夹具。夹具在每个轻触开关的位置均安装有电气控制的推力装置,推力装置可以持续产生15牛顿的推力并保持2秒钟的时间。

增大PCB定位孔尺寸
PCB的引脚定位孔尺寸增大到0.8mm,提高了贴片的稳定性。回流后发现旧的PCB和新的PCB有明显的不同。新PCB的轻触开关引脚的垫高明显降低了很多,而且相对于旧PCB,因焊点导致的轻触开关整体倾斜减少了很多,这样触发时的作用力就可以垂直地作用于轻触开关的按钮上,减少了对焊盘的剪切作用。

在使用专用推力测试夹具测试的过程中没有发现任何轻触开关剥离和翘起。但是在完成组装再拆卸验证时还是发现了轻触开关剥离和翘起的不良。

改变轻触开关贴装位置(内移)
根据DFA分析结果和推荐方案,轻触开关的贴装位置向内移动移动150um,使PCB边缘充当限位特征来防止轻触开关过压的发生。使用专用推力测试夹具测试的结果是没有任何开关翘起或剥离的不良。通过组装后再拆卸也没有发现任何开关起翘不良。

新旧开关的比较
旧的两引脚的轻触开关由于引脚的悬空高度是60um, 因此使用了阶梯钢网。新的四引脚轻触开关的引脚没有悬空,采用普通的钢网。切片分析数据表明四引脚新方案的焊后平均垫高为3.25mil比两引脚旧方案的焊后平均垫高4.35mil要低一些。在使用专用推力测试夹具测试的过程中新开关的方案没有发现任何轻触开关剥离和翘起的不良。在完成组装后的拆卸验证时也没有发现任何不良。

拼板方案和分板夹具改善
经过有限元FEA模拟优化后的建议,拼板的连接位置远离开关,分板夹具也随之优化。使用专用推力测试夹具测试,没有发现任何轻触开关剥离和翘起。在完成组装后的拆卸验证时也没有发现任何不良。

无悬空的四引脚轻触开关比有60um悬空的两引脚轻触开关具备更高的抗机械应力的能力。

定位引脚与定位孔之间的公差累计与SMT贴片的稳定性和轻触开关机械应力的产生有一定的关联。

限位特征的设置对轻触开关的可靠性非常重要。

拼板设计中的连接位置在分板时对元件的应力影响很大,在设计之初需要进行有限元分析。在实际生产中要通过应力测试进行检验。

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