Hva forårsaker sprekker i komponenter på PCBA?

De grunnleggende årsakene til at komponenter sprekker kommer fra mekanisk eller termisk belastning: under produksjon, montering eller driftstilstand, og belastningen overstiger den mekaniske styrken til materialet (vanligvis keramikk, silisium eller plastinnkapsling). Dette er et typisk problem med prosesspålitelighet.

Hovedårsaken er «stresskonsentrasjon», og de spesifikke årsakene kan kategoriseres som følger:

I. Sprekker forårsaket av termisk stress (en av de vanligste årsakene)

1. Temperatursjokk ved reflow-lodding

● Årsak: Feil i varmeutvidelseskoeffisientene mellom komponentene og loddeforbindelsene, eller mellom komponenten og PCB-substratet. Under den raske oppvarmings- og avkjølingsprosessen ved reflow-lodding er sammentrekningen/utvidelsen av forskjellige deler inkonsekvent, noe som genererer interne skjærkrefter.

● Typiske egenskaper: Sprekker oppstår ofte ved krysset mellom loddeforbindelsen og komponentene, eller i midten av bunnen av komponentene. Dette skjer ofte på MLCC-er (flerlags keramiske kondensatorer), tykkfilmmotstander og store keramiske komponenter.

2. Sekundær overoppheting under bølgelodding

● Årsak: På PCB-er som har gjennomgått SMT-montering, har komponentene blitt utsatt for høytemperaturlodding over lengre tid under bølgelodding, noe som fører til akkumulert termisk stress.

● Typiske egenskaper: Forekommer på PCB-er når det kreves blandede monteringsprosesser; sprukne komponenter monteres ofte av SMT, plassert på overflaten (bunnen) for bølgelodding.

3. Feilaktige omarbeidingsoperasjoner

● Årsak: Lokal høytemperaturoppvarming (varmluftpistol) og rask avkjøling skaper en stor lokal termisk gradient.

● Typiske egenskaper: Tilfeldig sprekkdannelse oppstår i komponenter rundt omarbeidingsområdet.

II. Sprekker forårsaket av mekanisk stress

1. Separasjonsstress

● Årsak: Bøye- eller vibrasjonsspenninger som genereres under mekanisk kutting (V-kutt eller annen separator) eller manuell oppdeling kan overføres direkte til sprø komponenter.

Typiske egenskaper: Sprukne komponenter er nær PCB-kanten eller V-skåret spor. MLCC-er er spesielt sårbare.

2. PCB-bøying eller deformasjon

● Monteringsprosess: Overstramming av skruer, bøying av kortet under installasjon i armaturen og krefter ved innsetting/uttrekking av kontakter som forårsaker deformasjon av kortet.

● Designproblemer: Utilstrekkelig PCB-styrke, noe som forårsaker bøying under egen vekt eller eksterne krefter.

● Typiske egenskaper: Sprekker kan oppstå på store komponenter nær midten av kretskortet eller faste punkter.

3. Testprober eller eksterne påvirkninger

● Årsaker: For høyt trykk fra prober under testing i kretsen eller funksjonstesting; fall eller kollisjoner under produksjonshåndtering.

● Typiske kjennetegn: Lokale skader, muligens med synlige ytre treffpunkter.

III. Problemer med samsvar mellom komponent- og prosessdesign

1. Upassende putedesign

● Årsaker: Loddeputer som er for store eller for små, fører til dårlig form på loddeforbindelsen etter omstryking, noe som skaper ekstra strekk- eller trykkspenning på komponentene.

● Typiske egenskaper: Den ene enden av komponenten er trukket opp (gravsteinseffekt), eller bunnen er for komprimert.

2. Problemer med valg av komponenter og layout

● Årsak: Overdimensjonerte (f.eks. 1210 og større) MLCC-er eller keramiskpakkede komponenter ble brukt i spenningsfølsomme områder (f.eks. nær kortkanter, skruehull, bøyer).

● Typiske egenskaper: Batchproblemer med samme spesifikasjoner på bestemte steder.

3. Problemer med sjablongåpninger og loddemengde

● Årsak: For mye loddepasta, som resulterer i for høye loddeforbindelser etter reflow, noe som forårsaker stress ved å "løfte" komponentene under avkjøling og størkning.

● Typiske kjennetegn: Komponentene er løftet, og overflødig loddetinn er synlig på undersiden.

IV. Materielle og interne defekter

1. Mikrosprekker i selve komponenten

● Årsak: Interne mikrosprekker eksisterte i komponentene under produksjonen (f.eks. under produksjon av MLCC-er), og disse sprekkene forplantet seg under påfølgende belastning.

● Typiske egenskaper: Feilen er tilfeldig; den opprinnelige feilen kan oppdages ved hjelp av røntgen- eller tverrsnittsanalyse.

2. Sprekkdannelser i enheten etter fuktighetsabsorpsjon

● Årsak: Når plastinnkapslede enheter (som IC-er) absorberer fuktighet, fordamper og utvider den indre fuktigheten seg under de høye temperaturene ved reflow-lodding, noe som skaper en «popcorn»-effekt.

● Typiske egenskaper: Plastemballasjen buler ut og sprekker, noe som ofte forekommer på enheter som ikke er tilstrekkelig brent etter lagring i fuktige forhold.

Feilsøking og løsninger:

Når det oppstår sprekkdannelser, anbefales det å følge disse trinnene for analyse:

1. Plasseringsanalyse: Bekreft plasseringsmønsteret til de sprukne enhetene (enten de er nær kanten av PCB-en eller stresspunktene) og typemønsteret (enten de alle er store MLCC-er eller samme type enhet).

2. Morfologisk observasjon: Bruk et optisk mikroskop, røntgen og tverrsnittsanalyse for å observere sprekkens opprinnelse og bane, og avgjøre om den er av termisk spenningstype (fra loddeenden og innover) eller mekanisk spenningstype (lateralt brudd).

3. Prosesstilbakeblikk: Sjekk depaneleringsprosessen, reflow-loddeprofilen (spesielt temperaturøkning/-fall), omarbeidingslogger og testinnretninger. 4. Design- og materialinspeksjon: Gjennomgå PCB-layout og putedesign, bekreft de mekaniske belastningskravene i komponentspesifikasjonene, og utfør prøvetakingsbelastningstesting på innkommende komponenter når det er nødvendig.

Forebygging er bedre enn løsning på etterspillet

Viktige tilnærminger: optimalisering av PCB-layout, forbedring av depaneleringsprosesser (helst ved bruk av freser), kontroll av temperaturprofiler for reflow-lodding, utførelse av spenningssimulering på sensitive komponenter og unngåelse av PCB-bøying under montering.

Når du støter på komplekse problemer med sprekker i komponenter, bør du vurdere følgende analyse av feil og deteksjonsmetoder for raskt å finne den underliggende årsaken:

1. Ikke-destruktiv inspeksjon: Bruk 3D-røntgen til å inspisere interne sprekker, hulrom og loddeforhold for å finne defekter.

2. Morfologi- og sammensetningsanalyse: Observer den mikroskopiske morfologien til sprekker ved hjelp av optiske mikroskoper og SEM/EDS, analyser bruddsammensetningen og bestem bruddmodusen (sprøtt/duktilt brudd).

3. Seksjonsanalyse: Gjennom presisjonsseksjonering (CP) og farging, avdekk den nøyaktige opprinnelsen og forplantningsveien til sprekker, noe som er et viktig middel for å skille mellom termisk stress og mekanisk stress.

4. Prosess- og materialerevaluering: Mål tykkelsen på loddeforbindelsens IMC, analyser PCB-deformasjon, evaluer komponentmaterialegenskaper og gi datadrevne forbedringsforslag.

5. Pålitelighetstesting og verifisering: Design temperatursykling, mekanisk støt og trepunkts bøyetester for å reprodusere feil og verifisere effektiviteten av forbedringstiltak.

Benlida har produsert PCB og montert PCBA i over et tiår. Ved å følge prosessdisiplinen strengt og underlagt veiledning, har vi minimert den potensielle risikoen for at komponenter sprekker under montering og balansert belastningene godt. Hvis du leter etter en leverandør av PCB- og PCBA-produkter, kan du gjerne kontakte Benlida for å utforske mer!

Om forfatteren:

Sonic Yang

Som hovedfag i elektronikk og mekanisk automatisering har Sonic jobbet med PCB-design, FoU og produksjon av elektronikk i rundt 22 år. Han har jobbet som ingeniørdirektør og koordinert med forsyningskjeden (komponenter og CNC-deler), og gitt profesjonell støtte og rådgivning til globale kunder.