Przyczyną pękania komponentów są naprężenia mechaniczne lub termiczne występujące podczas produkcji, montażu lub pracy, a naprężenia te przekraczają wytrzymałość mechaniczną materiału (zazwyczaj ceramiki, silikonu lub tworzywa sztucznego). Jest to typowy problem z niezawodnością procesu.
Główną przyczyną jest „koncentracja stresu”, a konkretne przyczyny można podzielić na następujące kategorie:
I. Pęknięcia spowodowane naprężeniami termicznymi (jedna z najczęstszych przyczyn)
1. Szok temperaturowy podczas lutowania rozpływowego
● Przyczyna: Niedopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej między komponentami a spoinami lutowniczymi lub między komponentem a podłożem PCB. Podczas szybkiego nagrzewania i chłodzenia podczas lutowania rozpływowego, kurczenie/rozszerzanie się różnych części jest nierównomierne, co generuje wewnętrzne siły ścinające.
● Typowe cechy: Pęknięcia często powstają na styku spoiny lutowniczej z elementami lub w środkowej części dolnej części elementów. Najczęściej występują w wielowarstwowych kondensatorach ceramicznych (MLCC), rezystorach grubowarstwowych i dużych elementach w obudowach ceramicznych.
2. Wtórne przegrzanie podczas lutowania falowego
● Przyczyna: W przypadku płytek PCB poddanych montażowi SMT, elementy są przez dłuższy czas narażone na lutowanie w wysokiej temperaturze podczas lutowania falowego, co prowadzi do kumulacji naprężeń cieplnych.
● Typowe cechy: Występuje na płytkach PCB, które wymagają mieszanych procesów montażu; pęknięte komponenty są często montowane metodą SMT, umieszczone na powierzchni (u dołu) w celu lutowania falowego.
3. Niewłaściwe operacje przeróbek
● Przyczyna: Lokalne nagrzewanie w wysokiej temperaturze (na gorące powietrze) i szybkie chłodzenie powodują duży lokalny gradient termiczny.
● Typowe cechy: W komponentach wokół obszaru przeróbki pojawiają się przypadkowe pęknięcia.
II. Pęknięcia spowodowane naprężeniami mechanicznymi
1. Naprężenie separacyjne
● Przyczyna: Naprężenia zginające lub wibracyjne powstające podczas cięcia mechanicznego (cięcie V lub inny separator) lub podziału ręcznego mogą przenosić się bezpośrednio na kruche elementy.
Typowe cechy: Pęknięte elementy znajdują się w pobliżu krawędzi płytki PCB lub rowka w kształcie litery V. Szczególnie narażone są kondensatory MLCC.
2. Gięcie lub deformacja PCB
● Proces montażu: Nadmierne dokręcanie śrub, wyginanie płytki podczas instalacji w osprzęcie oraz siły wkładania/wyjmowania złącza powodujące odkształcenie płytki.
● Problemy konstrukcyjne: Niewystarczająca wytrzymałość płytki PCB powodująca jej wyginanie się pod wpływem własnego ciężaru lub sił zewnętrznych.
● Typowe cechy: Pęknięcia mogą pojawiać się na dużych elementach w pobliżu środka płytki PCB lub w punktach stałych.
3. Sondy testowe lub uderzenia zewnętrzne
● Przyczyny: Nadmierne ciśnienie wywierane przez sondy podczas testowania w obwodzie lub testowania funkcjonalnego; upadki lub zderzenia w trakcie produkcji.
● Cechy charakterystyczne: Miejscowe uszkodzenia, ewentualnie z widocznymi zewnętrznymi punktami uderzenia.
III. Zagadnienia dopasowania komponentów i projektowania procesów
1. Niewłaściwa konstrukcja podkładki
● Przyczyny: Zbyt duże lub zbyt małe pady lutownicze powodują powstanie niewłaściwego kształtu połączenia lutowniczego po lutowaniu rozpływowym, co powoduje dodatkowe naprężenia rozciągające lub ściskające w komponentach.
● Typowe cechy: Jeden koniec elementu jest podniesiony (efekt nagrobka) lub spód jest nadmiernie ściśnięty.
2. Wybór komponentów i kwestie układu
● Przyczyna: W miejscach narażonych na naprężenia (np. w pobliżu krawędzi płytki, otworów na śruby, zagięć) zastosowano kondensatory MLCC o zbyt dużych rozmiarach (np. 1210 i większe) lub komponenty w obudowach ceramicznych.
● Typowe cechy: Problemy z partiami o tych samych specyfikacjach w określonych lokalizacjach.
3. Otwory szablonu i problemy z ilością lutu
● Przyczyna: Nadmierna ilość pasty lutowniczej, skutkująca zbyt wysokimi spoinami lutowniczymi po lutowaniu rozpływowym, co powoduje naprężenia poprzez „unoszenie” elementów podczas chłodzenia i krzepnięcia.
● Cechy charakterystyczne: Komponenty są uniesione, a na spodzie widoczna jest nadmierna ilość lutu.
IV. Wady materiałowe i wewnętrzne
1. Mikropęknięcia w samym komponencie
● Przyczyna: Podczas produkcji komponentów (np. podczas wytwarzania kondensatorów MLCC) powstały wewnętrzne mikropęknięcia, które rozprzestrzeniły się pod wpływem kolejnych naprężeń.
● Cechy charakterystyczne: Awaria ma charakter losowy; pierwotną wadę można wykryć za pomocą zdjęć rentgenowskich lub analizy przekroju poprzecznego.
2. Pękanie urządzenia po wchłonięciu wilgoci
● Przyczyna: Kiedy urządzenia zamknięte w plastikowej obudowie (np. układy scalone) absorbują wilgoć, wewnętrzna wilgoć odparowuje i rozszerza się pod wpływem wysokich temperatur lutowania rozpływowego, tworząc efekt „popcornu”.
● Typowe cechy: Opakowanie plastikowe wybrzusza się i pęka, co często zdarza się w przypadku urządzeń, które nie zostały odpowiednio wypieczone ze względu na przechowywanie w wilgotnych warunkach.
Rozwiązywanie problemów i rozwiązania:
W przypadku wystąpienia pęknięć zaleca się przeprowadzenie analizy zgodnie z poniższymi krokami:
1. Analiza lokalizacji: Potwierdź wzór lokalizacji pękniętych urządzeń (czy znajdują się one blisko krawędzi płytki PCB lub w punktach naprężeń) oraz wzór typu (czy wszystkie są to duże kondensatory MLCC, czy też urządzenia tego samego typu).
2. Obserwacja morfologiczna: Za pomocą mikroskopu optycznego, promieni rentgenowskich i analizy przekroju poprzecznego należy zaobserwować początek i przebieg pęknięcia, określając, czy jest to pęknięcie typu naprężenia cieplnego (od końca lutowanego do wewnątrz), czy też typu naprężenia mechanicznego (pęknięcia boczne).
3. Retrospekcja procesu: Sprawdź proces depanelowania, profil lutowania rozpływowego (zwłaszcza szybkość wzrostu/spadku temperatury), zapisy przeróbek i przyrządy testowe. 4. Kontrola projektu i materiałów: Przejrzyj układ PCB i projekt padów, potwierdź wymagania dotyczące naprężeń mechanicznych określone w specyfikacji komponentów i w razie potrzeby przeprowadź próbne testy naprężeń na przychodzących komponentach.
Lepiej zapobiegać niż rozwiązywać problemy
Główne założenia: optymalizacja układu PCB, udoskonalenie procesów depanelowania (najlepiej przy użyciu frezów), kontrola profili temperatur lutowania rozpływowego, symulacja naprężeń delikatnych komponentów i unikanie gięcia PCB podczas montażu.
W przypadku wystąpienia złożonych problemów związanych z pękaniem podzespołów, należy wziąć pod uwagę poniższą analizę awarii i metod wykrywania, aby szybko zlokalizować przyczynę problemu:
1. Kontrola nieniszcząca: Użyj promieni rentgenowskich 3D do sprawdzenia pęknięć wewnętrznych, pustych przestrzeni i warunków lutowania w celu zlokalizowania wad.
2. Analiza morfologii i składu: Obserwacja mikroskopowej morfologii pęknięć za pomocą mikroskopów optycznych i SEM/EDS, analiza składu pęknięć i określenie rodzaju uszkodzenia (pęknięcia kruche/ciągliwe).
3. Analiza przekroju: Poprzez precyzyjne cięcie (CP) i barwienie możliwe jest dokładne określenie pochodzenia i ścieżki rozprzestrzeniania się pęknięć, co stanowi kluczowy sposób rozróżniania naprężeń cieplnych od naprężeń mechanicznych.
4. Ocena procesów i materiałów: pomiar grubości IMC połączeń lutowanych, analiza odkształceń PCB, ocena właściwości materiałów komponentów i przedstawianie sugestii dotyczących ulepszeń opartych na danych.
5. Testowanie i weryfikacja niezawodności: zaprojektuj testy cyklicznych zmian temperatury, wstrząsów mechanicznych i zginania trzypunktowego w celu odtworzenia awarii i sprawdzenia skuteczności środków zaradczych.
Firma Benlida zajmuje się produkcją płytek PCB i montażem PCBA od ponad dekady. Dzięki rygorystycznemu przestrzeganiu procedur i nadzorowi, możemy zminimalizować potencjalne ryzyko pękania komponentów podczas montażu i dobrze zrównoważyć naprężenia. Jeśli szukasz dostawcy płytek PCB i PCBA, skontaktuj się z firmą Benlida, aby dowiedzieć się więcej!
O autorze:
Sonic Yang
Jako specjalista w dziedzinie elektroniki i automatyki mechanicznej, Sonic zajmuje się projektowaniem płytek PCB, pracami badawczo-rozwojowymi oraz produkcją elektroniki od około 22 lat, pełniąc funkcję dyrektora ds. inżynierii i koordynując działania z łańcuchem dostaw (podzespoły i części CNC), zapewniając profesjonalne wsparcie i konsultacje klientom na całym świecie.
pl
WhatsApp