輕觸開關在醫(yī)療儀器上的翹起和焊點開裂問題

SMT輕觸開關在消費電子產(chǎn)品及醫(yī)療手持設備中有著非常廣泛的應用。其功能需要通過機械方式觸動以接通電流信號。在對SMT輕觸開關的失效進行工藝分析和驗證時不僅涉及到SMT工藝，還需要涉及機械組裝工藝、測試及可靠性檢測等多個方面，因此SMT輕觸開關的失效分析具有很大的挑戰(zhàn)。從實際的失效分析過程來看，焊點失效并不是唯一的原因，其背后還有大量的其它因素，所以需要運用到多種失效分析的手段和方法。

本文針對SMT輕觸開關翹起失效問題進行了系統(tǒng)的分析如應力測試分析、有限元分析、公差累積分析、可裝配性設計分析、實驗設計等，并給出了相應的解決方案。

問題描述

在某醫(yī)療電子產(chǎn)品設計樣機驗證階段發(fā)現(xiàn)有輕觸開關翹起失效問題。不良現(xiàn)象是開關的焊腳與焊盤分離。雖然不良率只有0.2%，但未發(fā)生翹起的輕觸開關焊點已經(jīng)存在開裂現(xiàn)象，這是非常大的可靠性風險。

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。由此制定針對此問題的破壞性和非破壞性分析與檢驗的方案。

2D X-光檢查

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

光學檢測

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

切片分析

切片分析對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倍顯微鏡下對裂紋進行觀察與分析，機械沖擊應力導致元件引腳從腳后跟開始與焊錫分離，隨著應力的增加，裂紋從強度較弱的IMC層開始發(fā)生。

輕觸開關翹起和焊點開裂原因分析

根據(jù)切片分析結(jié)果，與機械應力相關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致機械應力的各種潛在因素，然后逐一進行測試驗證。

組裝工序過程中較大應力的假設驗證

在各組裝工序中，我們對四個最有可能產(chǎn)生較大機械應力的工位進行了應力測試。這四個工位分別是：分板工位、熱熔焊接工位、外殼組裝工位和最終測試工位。

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

參照IPC-9704A的標準，分板過程中產(chǎn)生的最大應力處于可接受的范圍。但還是有減少應力峰值的空間，因此，需要安排進一步的假設檢驗和驗證測試。

引腳焊點脆化的假設驗證

推力測試

取一個合格的樣品進行推力測試，以檢測元件從焊盤上剝落時的最大推力值。通常作用于開關上的操作壓力最大為15牛頓，推力測試結(jié)果表明平均剝離值為72牛頓，遠遠超過元件規(guī)格書上標稱的29.4牛頓的極限值，表明開關焊接效要良好。

輕觸開關引腳鍍層檢測

輕觸開關元件腳材料是表面鍍銀的磷青銅，表面鍍銀可增強基底金屬的可焊性。然而過厚的鍍銀會導致焊點脆化。對SMT元件而言，銀鍍層厚度范圍通常從0.2微米到0.4微米。進行X射線熒光檢測（XRF）時，參照ASTM B568 1998(2004)的標準，在所有檢測區(qū)域的銀厚度是均勻的（0.3微米）。因此輕觸開關元件腳材料不是元件翹起和焊點開裂的原因。

元件引腳可焊性測試

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

分板應力

分板過程中產(chǎn)生的應力可以通過對刀具和夾具進行優(yōu)化而降低，但是效果十分有限。對PCB拼板設計進行優(yōu)化也有可能大幅度地降低分板過程中產(chǎn)生的應。PCB拼板不同的連接位置對元件在分板時所受的應力有很大的影響，新的拼板設計改變了連接點的位置。通過改善設計，有限元FEA分析結(jié)果預測應力減少了47%，這也將會大大降低輕觸開關翹起和焊點開裂的風險。

干涉分析

干涉是產(chǎn)生機械應力風險最大的因素。因此，針對輕觸開關的相關結(jié)構(gòu)部件進行了DFA分析，并通過有限元FEA分析對不同的設計方案進行模擬比較，以確定降低機械應力的優(yōu)化方案。通過分析，DFA分析人員發(fā)現(xiàn)原有設計存在過度機械應力的潛在問題。由于沒有恰當?shù)臉O限停止位置的設置，輕觸開關存在0.25mm的過壓距離，這為過度機械應力的產(chǎn)生提供了可能。DFA分析人員通過與設計人員進行討論確定了三種解決方案：

將輕觸開關處的PCB邊緣向外延伸

在背光板殼體處加筋

輕觸開關貼裝位置向板內(nèi)移動

對無限位和有限位的設計分別做了有限元分析，有限位的位移減少了29%，剪切應力減少了20%。限位吸收了開關觸發(fā)過程中作用于引腳焊點上的大部分應力。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

 輕觸開關的定位腳與PCB定位孔之間如有干涉將會對其SMT貼裝工序產(chǎn)生影響，如果其公差配合臨界，將會有一定的機械應力風險。通過對輕觸開關的定位腳和PCB定位孔的公差累積分析，計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的定位腳不能很好地插入PCB定位孔的風險。嚴重的不良情況，在回流焊接前會被目視檢查位發(fā)現(xiàn)。輕微的不良將會遺漏到后道工序，并產(chǎn)生一定的機械應力。根據(jù)均方根之和（Root Square Sum）分析法預測，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。針對優(yōu)化方案再次進行公差累計分析。結(jié)果表明定位柱與定位孔之間的最小間隙為+0.037mm，干涉的風險也就消除了。

器件結(jié)構(gòu)

    對目前使用的輕觸開關的結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)元件的兩個焊接引腳是懸空的，它同PCB焊盤之間有60um的間隙，這對SMT焊接工藝提出了挑戰(zhàn)，需要考慮階梯鋼網(wǎng)的使用。 通過同供應商和設計工程師的溝通，發(fā)現(xiàn)另外一種型號的4引腳的輕觸開關可以考慮。4引腳輕觸開關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引腳輕觸開關對機械應力的承受能力更強。因此，該型號的輕觸開關被引入到后續(xù)的試運行中進行了驗證。

機械應力改善驗證與結(jié)果

    根據(jù)潛在因素驗證分析的結(jié)果，需要對分板過程中的過應力，機械干涉，定位腳與定位孔的公差配合以及器件結(jié)構(gòu)這四個方面進行改善驗證。在試運行中，為了有效地檢查出開關翹起的缺陷，設計了一組專用的推力測試夾具。夾具在每個輕觸開關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的輕觸開關引腳的墊高明顯降低了很多，而且相對于舊PCB，因焊點導致的輕觸開關整體傾斜減少了很多，這樣觸發(fā)時的作用力就可以垂直地作用于輕觸開關的按鈕上，減少了對焊盤的剪切作用。

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

改變輕觸開關貼裝位置（內(nèi)移）

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

新舊開關的比較

舊的兩引腳的輕觸開關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。在使用專用推力測試夾具測試的過程中新開關的方案沒有發(fā)現(xiàn)任何輕觸開關剝離和翹起的不良。在完成組裝后的拆卸驗證時也沒有發(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，拼板的連接位置遠離開關，分板夾具也隨之優(yōu)化。使用專用推力測試夾具測試，沒有發(fā)現(xiàn)任何輕觸開關剝離和翹起。在完成組裝后的拆卸驗證時也沒有發(fā)現(xiàn)任何不良。

結(jié)論

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

無懸空的四引腳輕觸開關比有60um懸空的兩引腳輕觸開關具備更高的抗機械應力的能力。

定位引腳與定位孔之間的公差累計與SMT貼片的穩(wěn)定性和輕觸開關機械應力的產(chǎn)生有一定的關聯(lián)。

限位特征的設置對輕觸開關的可靠性非常重要。

拼板設計中的連接位置在分板時對元件的應力影響很大，在設計之初需要進行有限元分析。在實際生產(chǎn)中要通過應力測試進行檢驗。