SMT輕觸開關(guān)在消費(fèi)電子產(chǎn)品及醫(yī)療手持設(shè)備中有著非常廣泛的應(yīng)用。其功能需要通過機(jī)械方式觸動(dòng)以接通電流信號(hào)。在對(duì)SMT輕觸開關(guān)的失效進(jìn)行工藝分析和驗(yàn)證時(shí)不僅涉及到SMT工藝，還需要涉及機(jī)械組裝工藝、測(cè)試及可靠性檢測(cè)等多個(gè)方面，因此SMT輕觸開關(guān)的失效分析具有很大的挑戰(zhàn)。從實(shí)際的失效分析過程來看，焊點(diǎn)失效并不是唯一的原因，其背后還有大量的其它因素，所以需要運(yùn)用到多種失效分析的手段和方法。

本文針對(duì)SMT輕觸開關(guān)翹起失效問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析如應(yīng)力測(cè)試分析、有限元分析、公差累積分析、可裝配性設(shè)計(jì)分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等，并給出了相應(yīng)的解決方案。

問題描述

在某醫(yī)療電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)樣機(jī)驗(yàn)證階段發(fā)現(xiàn)有輕觸開關(guān)翹起失效問題。不良現(xiàn)象是開關(guān)的焊腳與焊盤分離。雖然不良率只有0.2%，但未發(fā)生翹起的輕觸開關(guān)焊點(diǎn)已經(jīng)存在開裂現(xiàn)象，這是非常大的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

不良樣品初步失效分析

為了確定解決問題的方向，使用同一批次的物料做小批量生產(chǎn)，再現(xiàn)了故障現(xiàn)象。由此制定針對(duì)此問題的破壞性和非破壞性分析與檢驗(yàn)的方案。

2D X-光檢查

X-光能有效檢查出外殼包封的開關(guān)翹起不良問題。但細(xì)小的裂紋是無法檢查出來的，需通過切片分析。

光學(xué)檢測(cè)

拆除外殼，取出PCBA，光學(xué)檢測(cè)很容易發(fā)現(xiàn)明顯翹起不良。但對(duì)于焊錫中的裂紋是很難檢查出來的。

切片分析

切片分析對(duì)揭示裂紋失效的原理是非常有用的方法，裂紋分布從腳后跟開始向下延伸到腳尖。

在1500倍顯微鏡下對(duì)裂紋進(jìn)行觀察與分析，機(jī)械沖擊應(yīng)力導(dǎo)致元件引腳從腳后跟開始與焊錫分離，隨著應(yīng)力的增加，裂紋從強(qiáng)度較弱的IMC層開始發(fā)生。

輕觸開關(guān)翹起和焊點(diǎn)開裂原因分析

根據(jù)切片分析結(jié)果，與機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的因素就成為了故障失效分析的重要方向。魚骨圖有助于找出導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的各種潛在因素，然后逐一進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

組裝工序過程中較大應(yīng)力的假設(shè)驗(yàn)證

在各組裝工序中，我們對(duì)四個(gè)最有可能產(chǎn)生較大機(jī)械應(yīng)力的工位進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試。這四個(gè)工位分別是：分板工位、熱熔焊接工位、外殼組裝工位和最終測(cè)試工位。

應(yīng)力片貼在輕觸開關(guān)位置，目的是得到輕觸開關(guān)位置在組裝時(shí)的最大應(yīng)力。 測(cè)試發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生最大瞬間應(yīng)力是在分板工位，最大應(yīng)力值為810 ue。

參照IPC-9704A的標(biāo)準(zhǔn)，分板過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力處于可接受的范圍。但還是有減少應(yīng)力峰值的空間，因此，需要安排進(jìn)一步的假設(shè)檢驗(yàn)和驗(yàn)證測(cè)試。

引腳焊點(diǎn)脆化的假設(shè)驗(yàn)證

推力測(cè)試

取一個(gè)合格的樣品進(jìn)行推力測(cè)試，以檢測(cè)元件從焊盤上剝落時(shí)的最大推力值。通常作用于開關(guān)上的操作壓力最大為15牛頓，推力測(cè)試結(jié)果表明平均剝離值為72牛頓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過元件規(guī)格書上標(biāo)稱的29.4牛頓的極限值，表明開關(guān)焊接效要良好。

輕觸開關(guān)引腳鍍層檢測(cè)

輕觸開關(guān)元件腳材料是表面鍍銀的磷青銅，表面鍍銀可增強(qiáng)基底金屬的可焊性。然而過厚的鍍銀會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)脆化。對(duì)SMT元件而言，銀鍍層厚度范圍通常從0.2微米到0.4微米。進(jìn)行X射線熒光檢測(cè)（XRF）時(shí)，參照ASTM B568 1998(2004)的標(biāo)準(zhǔn)，在所有檢測(cè)區(qū)域的銀厚度是均勻的（0.3微米）。因此輕觸開關(guān)元件腳材料不是元件翹起和焊點(diǎn)開裂的原因。

元件引腳可焊性測(cè)試

由于銀鍍層容易與空氣中的硫反應(yīng)而變色，可能降低材料的可焊性，所以需要對(duì)引腳的可焊性進(jìn)行檢查。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)樣品的可焊性良好。因此，輕觸開關(guān)引腳的可焊性也不是翹起和焊點(diǎn)開裂的原因。

分板應(yīng)力

分板過程中產(chǎn)生的應(yīng)力可以通過對(duì)刀具和夾具進(jìn)行優(yōu)化而降低，但是效果十分有限。對(duì)PCB拼板設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化也有可能大幅度地降低分板過程中產(chǎn)生的應(yīng)。PCB拼板不同的連接位置對(duì)元件在分板時(shí)所受的應(yīng)力有很大的影響，新的拼板設(shè)計(jì)改變了連接點(diǎn)的位置。通過改善設(shè)計(jì)，有限元FEA分析結(jié)果預(yù)測(cè)應(yīng)力減少了47%，這也將會(huì)大大降低輕觸開關(guān)翹起和焊點(diǎn)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

干涉分析

干涉是產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)最大的因素。因此，針對(duì)輕觸開關(guān)的相關(guān)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了DFA分析，并通過有限元FEA分析對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬比較，以確定降低機(jī)械應(yīng)力的優(yōu)化方案。通過分析，DFA分析人員發(fā)現(xiàn)原有設(shè)計(jì)存在過度機(jī)械應(yīng)力的潛在問題。由于沒有恰當(dāng)?shù)臉O限停止位置的設(shè)置，輕觸開關(guān)存在0.25mm的過壓距離，這為過度機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生提供了可能。DFA分析人員通過與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論確定了三種解決方案：

將輕觸開關(guān)處的PCB邊緣向外延伸

在背光板殼體處加筋

輕觸開關(guān)貼裝位置向板內(nèi)移動(dòng)

對(duì)無限位和有限位的設(shè)計(jì)分別做了有限元分析，有限位的位移減少了29%，剪切應(yīng)力減少了20%。限位吸收了開關(guān)觸發(fā)過程中作用于引腳焊點(diǎn)上的大部分應(yīng)力。這也證明了增加限位的必要性。

定位腳與定位孔的公差配合

 輕觸開關(guān)的定位腳與PCB定位孔之間如有干涉將會(huì)對(duì)其SMT貼裝工序產(chǎn)生影響，如果其公差配合臨界，將會(huì)有一定的機(jī)械應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)輕觸開關(guān)的定位腳和PCB定位孔的公差累積分析，計(jì)算出定位腳與定位孔之間的最小間隙為-0.063mm，也就是存在輕微干涉。因此，在SMT貼裝過程中存在輕觸開關(guān)的定位腳不能很好地插入PCB定位孔的風(fēng)險(xiǎn)。嚴(yán)重的不良情況，在回流焊接前會(huì)被目視檢查位發(fā)現(xiàn)。輕微的不良將會(huì)遺漏到后道工序，并產(chǎn)生一定的機(jī)械應(yīng)力。根據(jù)均方根之和（Root Square Sum）分析法預(yù)測(cè)，該不良率為7153PPM。

建議將PCB定位孔尺寸和公差從0.7mm +/- 0.05mm修改為0.8mm +/- 0.05mm。針對(duì)優(yōu)化方案再次進(jìn)行公差累計(jì)分析。結(jié)果表明定位柱與定位孔之間的最小間隙為+0.037mm，干涉的風(fēng)險(xiǎn)也就消除了。

器件結(jié)構(gòu)

    對(duì)目前使用的輕觸開關(guān)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)元件的兩個(gè)焊接引腳是懸空的，它同PCB焊盤之間有60um的間隙，這對(duì)SMT焊接工藝提出了挑戰(zhàn)，需要考慮階梯鋼網(wǎng)的使用。 通過同供應(yīng)商和設(shè)計(jì)工程師的溝通，發(fā)現(xiàn)另外一種型號(hào)的4引腳的輕觸開關(guān)可以考慮。4引腳輕觸開關(guān)的引腳同焊盤之間沒有任何間隙，采用普通鋼網(wǎng)就可以滿足SMT工藝要求，而且4引腳輕觸開關(guān)對(duì)機(jī)械應(yīng)力的承受能力更強(qiáng)。因此，該型號(hào)的輕觸開關(guān)被引入到后續(xù)的試運(yùn)行中進(jìn)行了驗(yàn)證。

機(jī)械應(yīng)力改善驗(yàn)證與結(jié)果

    根據(jù)潛在因素驗(yàn)證分析的結(jié)果，需要對(duì)分板過程中的過應(yīng)力，機(jī)械干涉，定位腳與定位孔的公差配合以及器件結(jié)構(gòu)這四個(gè)方面進(jìn)行改善驗(yàn)證。在試運(yùn)行中，為了有效地檢查出開關(guān)翹起的缺陷，設(shè)計(jì)了一組專用的推力測(cè)試夾具。夾具在每個(gè)輕觸開關(guān)的位置均安裝有電氣控制的推力裝置，推力裝置可以持續(xù)產(chǎn)生15牛頓的推力并保持2秒鐘的時(shí)間。

增大PCB定位孔尺寸

PCB的引腳定位孔尺寸增大到0.8mm，提高了貼片的穩(wěn)定性。回流后發(fā)現(xiàn)舊的PCB和新的PCB有明顯的不同。新PCB的輕觸開關(guān)引腳的墊高明顯降低了很多，而且相對(duì)于舊PCB，因焊點(diǎn)導(dǎo)致的輕觸開關(guān)整體傾斜減少了很多，這樣觸發(fā)時(shí)的作用力就可以垂直地作用于輕觸開關(guān)的按鈕上，減少了對(duì)焊盤的剪切作用。

 在使用專用推力測(cè)試夾具測(cè)試的過程中沒有發(fā)現(xiàn)任何輕觸開關(guān)剝離和翹起。但是在完成組裝再拆卸驗(yàn)證時(shí)還是發(fā)現(xiàn)了輕觸開關(guān)剝離和翹起的不良。

改變輕觸開關(guān)貼裝位置（內(nèi)移）

根據(jù)DFA分析結(jié)果和推薦方案，輕觸開關(guān)的貼裝位置向內(nèi)移動(dòng)移動(dòng)150um，使PCB邊緣充當(dāng)限位特征來防止輕觸開關(guān)過壓的發(fā)生。使用專用推力測(cè)試夾具測(cè)試的結(jié)果是沒有任何開關(guān)翹起或剝離的不良。通過組裝后再拆卸也沒有發(fā)現(xiàn)任何開關(guān)起翹不良。

新舊開關(guān)的比較

舊的兩引腳的輕觸開關(guān)由于引腳的懸空高度是60um, 因此使用了階梯鋼網(wǎng)。新的四引腳輕觸開關(guān)的引腳沒有懸空，采用普通的鋼網(wǎng)。切片分析數(shù)據(jù)表明四引腳新方案的焊后平均墊高為3.25mil比兩引腳舊方案的焊后平均墊高4.35mil要低一些。在使用專用推力測(cè)試夾具測(cè)試的過程中新開關(guān)的方案沒有發(fā)現(xiàn)任何輕觸開關(guān)剝離和翹起的不良。在完成組裝后的拆卸驗(yàn)證時(shí)也沒有發(fā)現(xiàn)任何不良。

拼板方案和分板夾具改善

經(jīng)過有限元FEA模擬優(yōu)化后的建議，拼板的連接位置遠(yuǎn)離開關(guān)，分板夾具也隨之優(yōu)化。使用專用推力測(cè)試夾具測(cè)試，沒有發(fā)現(xiàn)任何輕觸開關(guān)剝離和翹起。在完成組裝后的拆卸驗(yàn)證時(shí)也沒有發(fā)現(xiàn)任何不良。

結(jié)論

本案例的研究表明應(yīng)力測(cè)試分析，有限元FEA分析，公差累計(jì)TSA分析和可制造性設(shè)計(jì)DFA分析等一系列系統(tǒng)的分析方法對(duì)于尋找根本原因的工程分析中非常有用。輕觸開關(guān)翹起和焊點(diǎn)開裂失效有以下影響因素：

無懸空的四引腳輕觸開關(guān)比有60um懸空的兩引腳輕觸開關(guān)具備更高的抗機(jī)械應(yīng)力的能力。

定位引腳與定位孔之間的公差累計(jì)與SMT貼片的穩(wěn)定性和輕觸開關(guān)機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生有一定的關(guān)聯(lián)。

限位特征的設(shè)置對(duì)輕觸開關(guān)的可靠性非常重要。

拼板設(shè)計(jì)中的連接位置在分板時(shí)對(duì)元件的應(yīng)力影響很大，在設(shè)計(jì)之初需要進(jìn)行有限元分析。在實(shí)際生產(chǎn)中要通過應(yīng)力測(cè)試進(jìn)行檢驗(yàn)。