การแคร็ก MLCC ใน PCBA: การเจาะลึกสาเหตุ การป้องกัน และกฎการออกแบบ PCB

1. บทนำ: เหตุใดการแคร็ก MLCC จึงเป็นความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือที่สำคัญ

การแตกร้าว ของ MLCCเป็นหนึ่งในความล้มเหลวด้านความน่าเชื่อถือที่พบบ่อยที่สุดในการผลิต PCB ข้อบกพร่องเหล่านี้มักหลุดรอดจากการตรวจสอบเบื้องต้นและปรากฏขึ้นเฉพาะในระหว่างการทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ การทดสอบการตกกระแทก หรือการใช้งานจริง ซึ่งนำไปสู่ความผิดพลาดเป็นระยะๆ สัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้า กระแสรั่วไหล และการส่งคืนสินค้าที่มีค่าใช้จ่ายสูง

บทความนี้สรุปกรอบการทำงานเชิงปฏิบัติสำหรับการระบุและป้องกันการแตกร้าวจาก MLCC ด้วยการทำความเข้าใจสาเหตุหลักและการประยุกต์ใช้การออกแบบและการควบคุมกระบวนการที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว วิศวกรทั้งในด้านการออกแบบ การผลิต และคุณภาพสามารถปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์และลดต้นทุนที่หลีกเลี่ยงได้อย่างมีนัยสำคัญ

2. การวิเคราะห์ความล้มเหลว: MLCC Cracking คืออะไร?

2.1 รอยแตกร้าวแบบยืดหยุ่น (พบได้บ่อยที่สุด)

รอยแตกแบบยืดหยุ่นเกิดขึ้นเมื่อการดัดงอของ PCB ก่อให้เกิดแรงดึงต่อ MLCC รอยแตกด้านข้างเหล่านี้มักเริ่มต้นที่บริเวณรอยต่อบัดกรีและขยายเข้าไปในตัวเซรามิก สาเหตุทั่วไป ได้แก่ การหลุดออกจากแผง การเคลื่อนย้ายด้วยมือ การเสียรูปจากการติดตั้งสกรู หรือแรงจากการประกอบตัวเครื่อง

2.2 รอยแตกร้าวจากความร้อน (การไหลย้อนกลับหรือความไม่ตรงกันของ CTE)

รอยแตกร้าวจากความร้อนเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วหรือค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกันระหว่างกระบวนการหลอมละลาย รอยแตกร้าวเหล่านี้จะปรากฏเป็นรอยแตกแนวตั้งหรือแนวทแยง นอกจากนี้ โปรไฟล์การหลอมละลายที่ไม่เหมาะสมหรือความร้อนเฉพาะจุดระหว่างการซ่อมแซมก็อาจทำให้เกิดความเสียหายในลักษณะนี้ ได้เช่นกัน

2.3 รอยแตกร้าวที่เกิดจากการสั่นสะเทือน (ความล้า)

การสั่นสะเทือนทางกลซ้ำๆ อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวจากความล้าที่ค่อยๆ ลุกลามใน MLCC ภาวะนี้พบได้บ่อยในยานยนต์ อุตสาหกรรม และสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูงอื่นๆ

2.4 อาการทางไฟฟ้าของ MLCC ที่แตกร้าว

รอยแตกเล็กน้อยทำให้ค่าความจุเปลี่ยนแปลงหรือค่า ESR เพิ่มขึ้น รอยแตกขนาดปานกลางทำให้กระแสรั่วไหลเพิ่มขึ้นและลดความต้านทานฉนวน (IR) รอยแตกขนาดรุนแรงอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรเป็นช่วงๆ หรือถาวร ส่งผลให้ระบบล้มเหลวหรือทำงานไม่เสถียร

3. ปัจจัยความเครียดทั้งห้า: สาเหตุหลักของความล้มเหลวของ MLCC

ความล้มเหลวจากการแตกร้าวแบบ MLCC ทั้งหมดเกิดจากการที่เซรามิกมีความทนทานต่อแรงเค้นเชิงกลหรือความร้อนเกินกว่าค่าที่ยอมรับได้ การทำความเข้าใจเวกเตอร์แรงเค้นเหล่านี้จะช่วยให้สามารถกำหนดกลยุทธ์การป้องกันที่ตรงเป้าหมายได้ตลอดห่วงโซ่การผลิต

3.1 การโค้งงอของ PCB ในระหว่างการผลิต

การงอตัวของ PCB ระหว่างการถอดแผงเป็นสาเหตุหลักของการแตกร้าวแบบ MLCC ในสภาพแวดล้อมการผลิต การแยกแผงแบบ V-cut และการหักด้วยมือทำให้แผ่นบอร์ดโค้งงอมากเกินไป ซึ่งส่งแรงเค้นไปยังตัวเซรามิกที่แข็งแรงโดยตรง การทดสอบอย่างหนักในอุปกรณ์ยึดที่ไม่มีส่วนรองรับแผ่นบอร์ดที่เพียงพอยิ่งเพิ่มความเสี่ยงนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจุดทดสอบอยู่ห่างจากขอบแผง

3.2 แรงกดที่มากเกินไปของ SMT Pick-and-Place

เครื่องจัดวางที่ปรับเทียบไม่ดีหรือหัวฉีดสุญญากาศที่สึกหรอ จะสร้างแรงเฉพาะที่มากเกินไปในระหว่างการจัดวางส่วนประกอบ ซึ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก 0402 และ 0201 การแตกร้าวแบบ MLCC เกิดขึ้นเมื่อแรงดันของหัวฉีดเกินกำลังอัดของเซรามิก ทำให้เกิดรอยแตกขนาดเล็กที่แพร่กระจายในระหว่างเหตุการณ์ความเค้นทางความร้อนหรือทางกลที่ตามมา

3.3 ความเครียดจากความร้อนจากการบัดกรีแบบรีโฟลว์

ตัวเซรามิกและแผ่นรองรับ PCB มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่างกัน ทำให้เกิดแรงเฉือนภายในระหว่างขั้นตอนการระบายความร้อนอย่างรวดเร็วของการบัดกรีแบบรีโฟลว์ MLCC ขนาดใหญ่ (1206 ขึ้นไป) จะต้องเผชิญกับแรงเค้นสูงเป็นพิเศษ เนื่องจากมีมวลความร้อนมากกว่าและพื้นที่จุดบัดกรีที่ใหญ่กว่า ทำให้ตัวเก็บประจุเซรามิกมีโอกาสแตกร้าวมากขึ้นเมื่ออัตราการระบายความร้อนสูงกว่า 3°C ต่อวินาที

3.4 การทำงานซ้ำด้วยตนเองและการบัดกรีมากเกินไป

ความร้อนเฉพาะจุดที่ไม่สามารถควบคุมได้ซึ่งใช้ระหว่างการซ่อมทำให้โครงสร้างเซรามิกอ่อนแอลงจากภาวะช็อกจากความร้อนและความล้าสะสม ปริมาณตะกั่วที่มากเกินไปทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่แข็งแรงซึ่งส่งผ่านแรงเค้นแทนที่จะดูดซับแรงเค้น ทำให้สูญเสียความสามารถในการบรรเทาแรงเค้นที่แผ่นบัดกรีที่ขึ้นรูปอย่างถูกต้องช่วยป้องกันการแตกร้าวแบบ MLCC

3.5 ความเครียดของผู้ใช้ปลายทาง

เวกเตอร์ความเค้นสุดท้าย ได้แก่ การตกหล่นของอุปกรณ์ การขันกล่องให้แน่นเกินไปเนื่องจากแรงบิดของสกรูที่มากเกินไป และการงอของผลิตภัณฑ์ระหว่างการใช้งานภาคสนามตามปกติ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและอุปกรณ์พกพามีความเสี่ยงสูงเป็นพิเศษ เนื่องจากวงจรการกระแทกทางกลซ้ำๆ เร่งการขยายตัวของรอยแตกในส่วนประกอบที่ได้รับแรงเค้นจากกระบวนการผลิต

4. การป้องกันพื้นที่ประกอบ: กระบวนการและโซลูชัน QA เพื่อขจัดปัญหาการแตกร้าว MLCC

การควบคุมกระบวนการผลิตถือเป็นด่านแรกในการป้องกันการแตกร้าวของตัวเก็บประจุเซรามิก การปรับปรุงกระบวนการอย่างตรงจุดครอบคลุมตั้งแต่การถอดแผง การวางตำแหน่ง และการรีโฟลว์ ช่วยลดอัตราความล้มเหลวได้อย่างมาก

4.1 แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการแยกแผง

การหลีกเลี่ยงการตัดแบบ V-cut ลึกใกล้ชิ้นส่วนขนาดใหญ่ และการเปลี่ยนไปใช้การแยกชิ้นส่วนด้วยเราเตอร์ช่วยลดการโค้งงอของบอร์ดในระหว่างการแยกชิ้นส่วน เราเตอร์ก่อให้เกิดแรงเค้นน้อยกว่าการเฉือนหรือการแตกหักอย่างมาก ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงในการแตกร้าวของ MLCC ได้ถึง 80% จากการศึกษาแบบควบคุม การรองรับขอบ PCB ด้วยอุปกรณ์ยึดที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมในระหว่างการถอดชิ้นส่วน ช่วยป้องกันการโก่งตัวตรงกลางที่ส่งแรงเค้นไปยังชิ้นส่วน

4.2 การควบคุมแรงดันในการวาง SMT

การตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงสอบเทียบหัวฉีดยังคงเป็นไปตามข้อกำหนด (โดยทั่วไปคือ 1-3 นิวตัน) และการตรวจสอบเป็นประจำจะช่วยป้องกันแรงกดที่มากเกินไป ระบบสอบเทียบความสูงอัตโนมัติจะตรวจจับหัวฉีดที่สึกหรอและป้องกันการแตกร้าวของ MLCC จากแรงอัดเกิน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อขนาดบรรจุภัณฑ์ลดลงและตัวเซรามิกเปราะบางมากขึ้น

4.3 การเพิ่มประสิทธิภาพโปรไฟล์รีโฟลว์

การปรับอัตราการระบายความร้อนให้เหมาะสมที่สุด ช่วยให้คลายความเค้นได้อย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อชิ้นส่วนกลับสู่อุณหภูมิห้อง ช่วยลดการแตกร้าวของตัวเก็บประจุเซรามิกที่เกิดจากความร้อน ส่วนประกอบขนาดใหญ่ (1210 ขึ้นไป) จะได้รับประโยชน์จากขั้นตอนการอุ่นล่วงหน้าที่ขยายเวลา ซึ่งช่วยลดการไล่ระดับความร้อนทั่วตัวเซรามิก ทำให้ความเค้นสูงสุดต่ำกว่าเกณฑ์การแตกหัก

4.4 แนวทางการจัดการและการแก้ไขงาน

การลดความถี่ในการซ่อมชิ้นงานด้วยผลผลิตรอบแรกที่ดีขึ้นช่วยลดวงจรความเค้นความร้อนสะสม เมื่อจำเป็นต้องซ่อมชิ้นงาน การอุ่นแผ่นโลหะล่วงหน้าจะช่วยลดความต่างของอุณหภูมิก่อนการให้ความร้อนแก่หัวแร้ง ช่วยป้องกันการเกิดช็อกจากความร้อนเฉพาะจุด ซึ่งเป็นสาเหตุของการแตกร้าวของ MLCC ในส่วนประกอบที่ปกติดีอยู่แล้ว

5. ชุดเครื่องมือของนักออกแบบ: แนวทางการจัดวางเพื่อคลายความเครียด

การตัดสินใจในการวางผัง PCB เป็นตัวกำหนดความเสี่ยงต่อการแตกร้าวของ MLCC เป็นหลัก การนำกฎการออกแบบที่ช่วยลดความเค้นมาใช้ในขั้นตอนการวางผังจะช่วยป้องกันความล้มเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการควบคุมกระบวนการปลายน้ำใดๆ

5.1 วาง MLCC ในแนวตั้งฉากกับทิศทางการยืดหยุ่นของบอร์ด

การจัดวางตัวเก็บประจุให้ตั้งฉากกับแกนยาวของแผงวงจรหรือทิศทางการดัดงอที่ทราบ จะทำให้แรงกดไปอยู่ที่ด้านที่สั้นกว่าและแข็งแรงกว่าของชิ้นส่วน การจัดวางอย่างง่ายนี้ช่วยลดความเสี่ยงต่อการแตกร้าวของตัวเก็บประจุเซรามิกได้ถึง 60% เมื่อเทียบกับการจัดวางแบบขนาน เนื่องจากอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างของตัวตัวเก็บประจุเซรามิกทำให้เกิดคุณลักษณะความแข็งแรงที่แตกต่างกัน

5.2 ใช้ Parallel Array แทน MLCC ขนาดใหญ่ตัวเดียว

การแทนที่ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่หนึ่งตัว (เช่น 1×22µF, 1206) ด้วยตัวเก็บประจุขนาดเล็กหลายตัว (เช่น 2×10µF, 0603) ช่วยกระจายความร้อนและแรงทางกลไปยังส่วนประกอบหลายชิ้น พร้อมกับปรับปรุงประสิทธิภาพไบแอส DC ตัวเรือนเซรามิกขนาดเล็กกว่าจะมีความทนต่อแรงดึงสูงกว่าเมื่อเทียบกับปริมาตร ทำให้มีโอกาสเกิดการแตกร้าวของ MLCC น้อยลงภายใต้สภาวะโหลดที่เหมือนกัน

5.3 เก็บ MLCC ให้ห่างจากจุดรวมความเครียด

การรักษาระยะห่างขั้นต่ำ 5 มม. จากรอยตัดรูปตัววี รูสกรู ช่องสำหรับติดตั้ง และขอบแผ่น ช่วยป้องกันการส่งผ่านความเค้นไปยังตัวเซรามิก แถบแยกและช่องเดินแผ่นสร้างสนามความเค้นเฉพาะจุดสูงเป็นพิเศษ ซึ่งรับประกันการแตกร้าวแบบ MLCC เมื่อนำชิ้นส่วนมาวางใกล้กัน

5.4 เพิ่มระยะห่างระหว่างพื้นดินและการควบคุมการบัดกรีแบบฟิลเล็ต

การออกแบบรูปแบบพื้นที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเล็กน้อยทำให้ได้แผ่นบัดกรีรูปทรงโค้งที่แข็งแรง ซึ่งทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ความเค้นระหว่างตัวเซรามิกที่แข็งแรงและแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น รูปทรงของแผ่นบัดกรีที่เหมาะสมจะดูดซับความเค้นเชิงกลผ่านการเปลี่ยนรูปอย่างควบคุม ป้องกันการส่งผ่านความเค้นโดยตรงที่ทำให้เกิดการแตกร้าวของตัวเก็บประจุเซรามิก

5.5 พิจารณา MLCC แบบยุติสัญญาอย่างนุ่มนวล

สำหรับการใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงหรือรับแรงกดสูง เช่น ยานยนต์และอวกาศ การกำหนด MLCC ที่มีชั้นโพลีเมอร์ภายในปลายสายจะช่วยดูดซับแรงกดได้มากขึ้น ส่วนประกอบปลายสายแบบอ่อนช่วยลดความเสี่ยงการแตกร้าวของ MLCC ลง 70% ในการทดสอบความยืดหยุ่นของบอร์ด เมื่อเทียบกับปลายสายแบบแข็งมาตรฐาน ซึ่งคุ้มค่ากับต้นทุนที่สูงในการใช้งานที่สำคัญ

6. การตรวจสอบและการตรวจสอบ: โปรโตคอลการทดสอบเพื่อความน่าเชื่อถือที่ปราศจากการแคร็ก

โปรโตคอลการทดสอบที่ครอบคลุมจะตรวจสอบความต้านทานการแตกร้าวของ MLCC ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะถึงมือลูกค้า การนำการตรวจสอบแบบหลายชั้นและการทดสอบความเค้นมาใช้จะช่วยตรวจจับความล้มเหลวระหว่างการตรวจสอบความถูกต้องแบบควบคุม แทนที่จะต้องส่งกลับภาคสนามซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง

6.1 การตรวจสอบแบบไม่ทำลาย

การตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์เป็นสิ่งสำคัญในการตรวจสอบความสมบูรณ์ของโครงสร้างสำหรับรอยเชื่อมบัดกรีและการตรวจจับรอยแตกภายใน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการที่มีความน่าเชื่อถือสูง ซึ่งความล้มเหลวจากการแตกร้าวของตัวเก็บประจุเซรามิกอาจส่งผลร้ายแรง การตรวจสอบด้วยสายตาช่วยเสริมการตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์โดยการตรวจสอบรูปทรงของรอยเชื่อมและระบุปริมาณบัดกรีที่มากเกินไปซึ่งสร้างเส้นทางการส่งผ่านความเค้นที่แข็งตัว

6.2 วิธีการทดสอบไฟฟ้า

การตรวจสอบความต้านทานฉนวน (IR) และกระแสไฟฟ้ารั่วเผยให้เห็นรอยแตกร้าว MLCC เล็กน้อยก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวร้ายแรง การลดลงของ IR เล็กน้อยหรือกระแสไฟฟ้ารั่วที่สูงขึ้นบ่งชี้ว่ารอยแตกร้าวกำลังแพร่กระจาย ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการแก้ไขได้โดยการเปลี่ยนชิ้นส่วนระหว่างการผลิต แทนที่จะต้องซ่อมบำรุงภาคสนาม

6.3 การทดสอบความเครียดของบอร์ดแบบยืดหยุ่น

การนำมาตรฐานการทดสอบความยืดหยุ่นของบอร์ด IPC-9702 มาใช้ ช่วยตรวจสอบการออกแบบและการวางตำแหน่งส่วนประกอบภายใต้สภาวะความเค้นที่ควบคุม การทดสอบการดัดงอแบบสามจุดช่วยวัดค่าเกณฑ์การแตกร้าวของตัวเก็บประจุเซรามิกสำหรับการออกแบบบอร์ดเฉพาะ ช่วยให้สามารถออกแบบได้อย่างเหมาะสมที่สุดก่อนเริ่มการผลิตจำนวนมาก

7. สรุปและข้อเสนอแนะเชิงปฏิบัติ

จากประสบการณ์ของผม สาเหตุพื้นฐานของการแตกร้าวของ MLCC เกือบทั้งหมดเกิดจากความเค้นเชิงกลหรือความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้ การป้องกันความล้มเหลวเหล่านี้จำเป็นต้องพิจารณาความน่าเชื่อถือของ MLCC เป็นปัญหาระดับระบบ ซึ่งต้องจัดการผ่านทางเลือกการออกแบบ วิธีการประกอบ และวินัยในการตรวจสอบ

• วาง MLCC ให้ตั้งฉากกับทิศทางการงอหลักของ PCB ฉันพบว่าการเปลี่ยนตำแหน่งที่เรียบง่ายนี้ช่วยลดรอยแตกร้าวที่เกิดจากการงอได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งบนบอร์ดที่มีอุปกรณ์กลไกหรือการจัดการด้วยมือ
• ใช้ชุดขนานของ MLCC ขนาดเล็กกว่าแทนตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ตัวเดียว จากการวิเคราะห์ความล้มเหลวหลายครั้งที่ฉันได้ทำการศึกษา พบว่าตัวเก็บประจุขนาดเล็กสามารถกระจายแรงได้ดีกว่ามาก และทนต่อการดัดงอได้ดีกว่าอย่างเห็นได้ชัด
• หลีกเลี่ยงการตัดแผ่นแบบ V-cut ใกล้กับส่วนประกอบที่บอบบาง จากที่ผมสังเกตในสายการผลิต การตัดแบบ V-cut มักจะทำให้เกิดความเครียดสูงสุดในระหว่างการแยกชิ้นส่วน (singulation) การตัดแผ่นโดยใช้เราเตอร์ทำให้เกิดรอยแตกร้าวน้อยกว่ามาก
• รักษาโปรไฟล์อุณหภูมิการไหลย้อนกลับที่ควบคุม ความร้อนหรือความเย็นอย่างรวดเร็วเป็นปัจจัยเสี่ยงที่พบบ่อยของรอยแตกร้าวจากความร้อน โปรไฟล์ที่เสถียรและมีลักษณะเฉพาะที่ดีจะช่วยลดความเสี่ยงนี้ได้อย่างมาก
• ลดการเคลื่อนย้ายบอร์ดและการดัดงอที่ควบคุมไม่ได้ในระหว่างการประกอบ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ฉันพบว่าการจัดการน้ำหนักบรรทุกซ้ำๆ ในปริมาณเล็กน้อยมักจะทำให้เกิดรอยแตกร้าวเล็กๆ ที่มองเห็นได้ชัดเจนในระหว่างการทดสอบความน่าเชื่อถือเท่านั้น

การใช้มาตรการเหล่านี้อย่างสม่ำเสมอในการออกแบบ การผลิต และการควบคุมคุณภาพได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีที่เชื่อถือได้มากที่สุดในการลดการแตกร้าวของ MLCC และป้องกันปัญหาความน่าเชื่อถือในขั้นตอนต่อไป