SMT輕觸開(kāi)關(guān)在消費電子產(chǎn)品及醫療手持設備中有著(zhù)非常廣泛的應用。其功能需要通過(guò)機械方式觸動(dòng)以接通電流信號。在對SMT輕觸開(kāi)關(guān)的失效進(jìn)行工藝分析和驗證時(shí)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(gè)方面，因此SMT輕觸開(kāi)關(guān)的失效分析具有很大的挑戰。從實(shí)際的失效分析過(guò)程來(lái)看，焊點(diǎn)失效并不是主要的原因，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(kāi)關(guān)翹起失效問(wèn)題進(jìn)行了系統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(shí)驗設計等，并給出了相應的解決方案。

問(wèn)題描述

在某醫療電子產(chǎn)品設計樣機驗證階段發(fā)現有輕觸開(kāi)關(guān)翹起失效問(wèn)題。不良現象是開(kāi)關(guān)的焊腳與焊盤(pán)分離。雖然不良率只有0.2%，但未發(fā)生翹起的輕觸開(kāi)關(guān)焊點(diǎn)已經(jīng)存在開(kāi)裂現象，這是非常大的可靠性風(fēng)險。

不良樣品初步失效分析

    為了確定解決問(wèn)題的方向，使用同一批次的物料做小批量生產(chǎn)，再現了故障現象。由此制定針對此問(wèn)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(kāi)關(guān)翹起不良問(wèn)題。但細小的裂紋是無(wú)法檢查出來(lái)的，需通過(guò)切片分析。

光學(xué)檢測

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

組裝工序過(guò)程中較大應力的假設驗證

    在各組裝工序中，我們對四個(gè)最有可能產(chǎn)生較大機械應力的工位進(jìn)行了應力測試。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試工位。

    應力片貼在輕觸開(kāi)關(guān)位置，目的是得到輕觸開(kāi)關(guān)位置在組裝時(shí)的應力。 測試發(fā)現產(chǎn)生瞬間應力是在分板工位，應力值為810 ue。

    參照IPC-9704A的標準，分板過(guò)程中產(chǎn)生的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(jìn)一步的假設檢驗和驗證測試。引腳焊點(diǎn)脆化的假設驗證
推力測試取一個(gè)合格的樣品進(jìn)行推力測試，以檢測元件從焊盤(pán)上剝落時(shí)的推力值。通常作用于開(kāi)關(guān)上的操作壓力為15牛頓，推力測試結果表明平均剝離值為72牛頓，遠遠超過(guò)元件規格書(shū)上標稱(chēng)的29.4牛頓的極限值，表明開(kāi)關(guān)焊接效要良好。

·              輕觸開(kāi)關(guān)引腳鍍層檢測

·              輕觸開(kāi)關(guān)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(guò)厚的鍍銀會(huì )導致焊點(diǎn)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(jìn)行X射線(xiàn)熒光檢測（XRF）時(shí)，參照ASTM B568 1998(2004)的標準，在所有檢測區域的銀厚度是均勻的（0.3微米）。因此輕觸開(kāi)關(guān)元件腳材料不是元件翹起和焊點(diǎn)開(kāi)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(jìn)行檢查。通過(guò)測試發(fā)現樣品的可焊性良好。因此，輕觸開(kāi)關(guān)引腳的可焊性也不是翹起和焊點(diǎn)開(kāi)裂的原因。

分板應力

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

干涉分析

    干涉是產(chǎn)生機械應力風(fēng)險的因素。因此，針對輕觸開(kāi)關(guān)的相關(guān)結構部件進(jìn)行了DFA分析，并通過(guò)有限元FEA分析對不同的設計方案進(jìn)行模擬比較，以確定降低機械應力的優(yōu)化方案。通過(guò)分析，DFA分析人員發(fā)現原有設計存在過(guò)度機械應力的潛在問(wèn)題。由于沒(méi)有恰當的極限停止位置的設置，輕觸開(kāi)關(guān)存在0.25mm的過(guò)壓距離，這為過(guò)度機械應力的產(chǎn)生提供了可能。DFA分析人員通過(guò)與設計人員進(jìn)行討論確定了三種解決方案：

·         將輕觸開(kāi)關(guān)處的PCB邊緣向外延伸

·         在背光板殼體處加筋

·         輕觸開(kāi)關(guān)貼裝位置向板內移動(dòng)

對無(wú)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(kāi)關(guān)觸發(fā)過(guò)程中作用于引腳焊點(diǎn)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(kāi)關(guān)的定位腳與PCB定位孔之間如有干涉將會(huì )對其SMT貼裝工序產(chǎn)生影響，如果其公差配合臨界，將會(huì )有一定的機械應力風(fēng)險。通過(guò)對輕觸開(kāi)關(guān)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間隙為-0.063mm，也就是存在輕微干涉。因此，在SMT貼裝過(guò)程中存在輕觸開(kāi)關(guān)的定位腳不能很好地插入PCB定位孔的風(fēng)險。嚴重的不良情況，在回流焊接前會(huì )被目視檢查位發(fā)現。輕微的不良將會(huì )遺漏到后道工序，并產(chǎn)生一定的機械應力。根據均方根之和（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(jìn)行公差累計分析。結果表明定位柱與定位孔之間的間隙為+0.037mm，干涉的風(fēng)險也就消除了。

器件結構

    對目前使用的輕觸開(kāi)關(guān)的結構進(jìn)行分析，發(fā)現元件的兩個(gè)焊接引腳是懸空的，它同PCB焊盤(pán)之間有60um的間隙，這對SMT焊接工藝提出了挑戰，需要考慮階梯鋼網(wǎng)的使用。 通過(guò)同供應商和設計工程師的溝通，發(fā)現另外一種型號的4引腳的輕觸開(kāi)關(guān)可以考慮。4引腳輕觸開(kāi)關(guān)的引腳同焊盤(pán)之間沒(méi)有任何間隙，采用普通鋼網(wǎng)就可以滿(mǎn)足SMT工藝要求，而且4引腳輕觸開(kāi)關(guān)對機械應力的承受能力更強。因此，該型號的輕觸開(kāi)關(guān)被引入到后續的試運行中進(jìn)行了驗證。

機械應力改善驗證與結果

    根據潛在因素驗證分析的結果，需要對分板過(guò)程中的過(guò)應力，機械干涉，定位腳與定位孔的公差配合以及器件結構這四個(gè)方面進(jìn)行改善驗證。在試運行中，為了有效地檢查出開(kāi)關(guān)翹起的缺陷，設計了一組專(zhuān)用的推力測試夾具。夾具在每個(gè)輕觸開(kāi)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，提高了貼片的穩定性?；亓骱蟀l(fā)現舊的PCB和新的PCB有明顯的不同。新PCB的輕觸開(kāi)關(guān)引腳的墊高明顯降低了很多，而且相對于舊PCB，因焊點(diǎn)導致的輕觸開(kāi)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(kāi)關(guān)的按鈕上，減少了對焊盤(pán)的剪切作用。

在使用專(zhuān)用推力測試夾具測試的過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現任何輕觸開(kāi)關(guān)剝離和翹起。但是在完成組裝再拆卸驗證時(shí)還是發(fā)現了輕觸開(kāi)關(guān)剝離和翹起的不良。

·         改變輕觸開(kāi)關(guān)貼裝位置（內移）

·         根據DFA分析結果和推薦方案，輕觸開(kāi)關(guān)的貼裝位置向內移動(dòng)移動(dòng)150um，使PCB邊緣充當限位特征來(lái)防止輕觸開(kāi)關(guān)過(guò)壓的發(fā)生。使用專(zhuān)用推力測試夾具測試的結果是沒(méi)有任何開(kāi)關(guān)翹起或剝離的不良。通過(guò)組裝后再拆卸也沒(méi)有發(fā)現任何開(kāi)關(guān)起翹不良。

·         新舊開(kāi)關(guān)的比較

·         舊的兩引腳的輕觸開(kāi)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(kāi)關(guān)的引腳沒(méi)有懸空，采用普通的鋼網(wǎng)。切片分析數據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(zhuān)用推力測試夾具測試的過(guò)程中新開(kāi)關(guān)的方案沒(méi)有發(fā)現任何輕觸開(kāi)關(guān)剝離和翹起的不良。在完成組裝后的拆卸驗證時(shí)也沒(méi)有發(fā)現任何不良。

拼板方案和分板夾具改善

經(jīng)過(guò)有限元FEA模擬優(yōu)化后的建議，拼板的連接位置遠離開(kāi)關(guān)，分板夾具也隨之優(yōu)化。使用專(zhuān)用推力測試夾具測試，沒(méi)有發(fā)現任何輕觸開(kāi)關(guān)剝離和翹起。在完成組裝后的拆卸驗證時(shí)也沒(méi)有發(fā)現任何不良。

    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(kāi)關(guān)翹起和焊點(diǎn)開(kāi)裂失效有以下影響因素：

·              無(wú)懸空的四引腳輕觸開(kāi)關(guān)比有60um懸空的兩引腳輕觸開(kāi)關(guān)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貼片的穩定性和輕觸開(kāi)關(guān)機械應力的產(chǎn)生有一定的關(guān)聯(lián)。

·              限位特征的設置對輕觸開(kāi)關(guān)的可靠性非常重要。

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