撥碼開關(guān)在線使用可靠性研究

撥碼開關(guān)（DIP 開關(guān)，撥動開關(guān)，超頻開關(guān)、地址開關(guān)等），是一款用來操作控制的地址開關(guān)，采用的是0/1的二進制編碼原理。是通過撥動開關(guān)柄使電路接通或斷開，從而達到切換電路的目的。撥碼開關(guān)常用的品種有單極雙位、單極三位、雙極雙位以及雙極三位等，一般用于低壓電路，具有滑塊動作靈活、性能穩(wěn)定可靠的特點，用于數(shù)據(jù)處理、通信適用于小型家用電器、玩具及小型儀器儀表上。撥碼開關(guān)是通過撥動手柄使電路接通或斷開的器件。撥碼開關(guān)具有多個通路，內(nèi)部通過彈片與底座觸點的接觸或斷開來實現(xiàn)開通功能。撥碼開關(guān)內(nèi)部觸點鍍層為鍍金。撥碼開關(guān)有很多款型號，按照腳位來區(qū)分有直插式（DIP）和貼片式（SMD）按照撥動方式來分有平撥跟側(cè)撥之分，甲公司所用的撥碼開關(guān)為平撥式撥碼開關(guān)。每一個鍵對應(yīng)的背面上、下各有兩個引腳，撥至ON 一側(cè)，對應(yīng)下面兩個引腳導(dǎo)通；反之則斷開。各鍵之間是獨立的，相互沒有關(guān)聯(lián)，多用于二進制編碼。撥碼開關(guān)作為需要手動操作的微型開關(guān)，在兩態(tài)之間變換，再根據(jù)不同的位組成2 的N 次方的不同狀態(tài)，實現(xiàn)不同的功能。

圖1 撥碼開關(guān)

1 失效原因及失效機理分析

甲公司在線使用該款貼片撥碼開關(guān)時在經(jīng)過1 次撥碼后，撥碼開關(guān)出現(xiàn)不導(dǎo)通情況，經(jīng)過對大量故障樣品進行全面失效分析與數(shù)據(jù)比對。對撥碼開關(guān)失效總結(jié)存在以下3 個方面，撥碼開關(guān)制作廠商制程過程中導(dǎo)致彈片變形引發(fā)的接觸導(dǎo)通問題；安裝使用過程中不正當(dāng)?shù)膿艽a動作造成器件受力異常引發(fā)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形變；撥碼開關(guān)內(nèi)部腔體異物，異物來源存在兩個渠道，廠家制程清潔不到位殘留的注塑件異物或者是使用端加工作業(yè)中的異物引入，加工過程中受溫度影響材料受熱產(chǎn)生的狀態(tài)變化。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)彈片變形是撥碼開關(guān)的主要失效方式，占比45%，其次是不規(guī)范的撥碼動作占19%，廠家清潔異物過程、異物問題分別占比18%。下面對幾種失效模式進一步探究。

圖2 撥碼開關(guān)主要失效原因

1.1 故障現(xiàn)象1：撥碼簧片變形

在線使用撥碼開關(guān)進行撥碼動作后未導(dǎo)通，器件廠家在對產(chǎn)品進行加工時，由于工藝粗糙，導(dǎo)致?lián)艽a開關(guān)內(nèi)部簧片出現(xiàn)嚴重程度不一的形變情況，安裝后由于簧片存在形變，與導(dǎo)通靜觸點接觸出現(xiàn)未導(dǎo)通、導(dǎo)通不穩(wěn)定。該問題較為隱蔽，在不進行破壞性手段下，通過X射線透視可比對各引腳水平位差異可分辨引腳是否存在變形情況。影響簧片產(chǎn)生形變因素不局限生產(chǎn)商的組裝階段，使用端不合理的撥碼動作或使用錯誤的撥碼工具同樣會導(dǎo)致?lián)艽a開關(guān)內(nèi)部動簧片產(chǎn)生形變，作業(yè)員工有時圖方便，剛好趁手使用尖針鑷子或者筆等工具進行撥碼，由于此類器物形狀差異大，作用到按鍵上的力的大小和方向難控制，容易導(dǎo)致?lián)艽a開關(guān)內(nèi)部簧片出現(xiàn)人為形變，所以在對物料來料源頭進行管控的同時，使用過程也需規(guī)范作業(yè)工具及撥碼動作，對相關(guān)制程動作提供作業(yè)指導(dǎo)，并約束禁止違規(guī)作業(yè)。

圖3 X射線透視圖片

圖4 不規(guī)范撥碼操作的現(xiàn)象

1.2 故障現(xiàn)象2： 撥碼過程加工異物、材質(zhì)耐熱問題

在對在線失效故障件進行分析過程中，發(fā)現(xiàn)部分撥碼開關(guān)引腳及根部有液態(tài)膠物質(zhì)附著，通過高強度紫外燈照射出現(xiàn)明顯顏色反饋，解剖內(nèi)部腔體發(fā)現(xiàn)引腳靜觸點上及簧片動觸點上存在明顯的膠狀物質(zhì)，通過紅外線光譜儀測試，分析該類物質(zhì)為膠狀物質(zhì)，器件生產(chǎn)廠家制程不涉及此類物質(zhì)，經(jīng)排查在線使用工序及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，初步認定刷三防膠工序作業(yè)異常，撥碼開關(guān)本體非密封結(jié)構(gòu)，引腳部位與腔體內(nèi)部存在明顯縫隙，撥碼開關(guān)位置非刷膠區(qū)域，三防膠作業(yè)是人工作業(yè)，作業(yè)人員刷膠過程未控制好刷膠量以及刷膠區(qū)域，導(dǎo)致三防膠通過引腳縫隙涌入撥碼開關(guān)腔體內(nèi)部，通過流動及撥碼動作粘附在兩極接觸觸點，引發(fā)不導(dǎo)通情況。

圖5 FTIR紅外線光譜儀檢測

該物質(zhì)成分疑似是透明膠，檢測分析圖譜。

圖6 FTIR分析

在對在線使用膠類異物排查過程中發(fā)現(xiàn)部分器件內(nèi)部觸點周邊和簧片運動軌跡區(qū)域發(fā)現(xiàn)黑色液態(tài)膠狀物質(zhì)，顏色異于三防膠，推斷是器件在進行在線組裝焊接過程中材質(zhì)受熱，狀態(tài)發(fā)生了變化，出現(xiàn)了塑殼高溫熔融情況。查閱該款物料使用爐溫要求（SMT 型）回流焊最高溫度不超過250 ℃，同時焊接時間不應(yīng)超過10 s，解剖部分失效品內(nèi)部塑殼OFF 停針位置至撥碼動作終點位置存在明顯黑色膠狀物質(zhì)，部分故障品引腳靜觸點接觸位置有明顯的黑色膠狀物質(zhì)溶膠情況，初步分析為回流焊接時，塑殼材料經(jīng)峰值溫度受熱狀態(tài)發(fā)生變化，后續(xù)撥碼動作將膠狀物質(zhì)推壓至觸點接觸區(qū)域，引發(fā)導(dǎo)通問題。

通過對前后兩個不同時間段庫存制品進行外殼注塑件材料進行測試，發(fā)現(xiàn)材質(zhì)無差異( 均為PA)，滿足器件材質(zhì)要求。測試設(shè)備：傅里葉紅外光譜儀。

圖7 黑色液態(tài)膠狀物質(zhì)

圖8 爐溫曲線測試數(shù)據(jù)

圖10 異常批次塑殼材質(zhì)測試譜圖（測試設(shè)備：傅里葉紅外光譜儀）

對在線使用該款物料的回流焊線體進行爐溫曲線排查，發(fā)現(xiàn)部分雙軌線體爐溫溫差存在差異，相差溫度達5℃，同時爐溫曲線依據(jù)PCB 板板厚設(shè)定溫度參數(shù)，對具體焊盤情況沒有進行細化測試，部分焊盤小的傳熱速率較快，實際溫度與設(shè)定溫度差異較大，同時在核實爐溫曲線時，該物料在240 ℃ 以上存在時間達20 s，處于高溫區(qū)時間過長，超過物料本身材質(zhì)的要求極限。

1.3 故障現(xiàn)象3：廠家清潔不到位導(dǎo)致的異物殘留

對部分在線失效故障品解剖后腔體內(nèi)有明顯的注塑件的異物，大部分材質(zhì)與外殼材質(zhì)一致，異物材質(zhì)堅硬，撥碼開關(guān)在進行撥碼動作時，簧片受阻擋無法與引腳靜觸點接觸到位，部分簧片針腳受異物影響進行撥碼動作時產(chǎn)生形變。該注塑件異物體積相對較大，無法通過撥碼開關(guān)外部結(jié)構(gòu)進入，分析為廠家生產(chǎn)制作過程中，相關(guān)清潔工藝不到位，導(dǎo)致注塑件殘留在器件腔體內(nèi)。

圖11 異物殘留

小結(jié)：撥碼開關(guān)的在線導(dǎo)通故障主要受3個因素影響：

1）供應(yīng)商加工工藝異?；蚴褂枚瞬灰?guī)范的操作方式引起的簧片形變。

2）使用端生產(chǎn)回流焊接爐溫異常，刷三防膠膠工藝造成液體涌入器件腔體。

3）廠家清潔工藝異常內(nèi)部異物引起的導(dǎo)通問題。

2 可靠性提升方案

1）將單導(dǎo)通引腳結(jié)構(gòu)改為雙導(dǎo)通引腳，在一個引腳產(chǎn)生形變異常同時另一個引腳能滿足導(dǎo)通需求，提升器件可靠性，從結(jié)構(gòu)角度提升導(dǎo)通穩(wěn)定性，現(xiàn)目前基本已實現(xiàn)覆蓋。

2）規(guī)范在線使用端作業(yè)規(guī)范要求，對于撥碼動作及使用工具等相關(guān)要求納入作業(yè)指導(dǎo)文件中，同時加強監(jiān)督管控以及違規(guī)處罰，后階段設(shè)置相關(guān)檢驗項目，避免異常品流入下道工序。

3）提升每款PCB 板的爐溫精度，精確爐溫測試，每班次至少落實班前、班中、班后3 次爐溫曲線測試，同時需將雙通道覆蓋到位，避免因溫度差引發(fā)焊接質(zhì)量問題，同時撥碼開關(guān)塑殼材質(zhì)需盡可能提升耐熱性能，推動材質(zhì)選用升級替換，由于回流焊本身溫度精度存在誤差，焊接過程可能達到極限溫度。加強員工培訓(xùn)，明確刷三防膠的作業(yè)范圍，將刷膠問題點作為典型問題點制作作業(yè)看板，同時未經(jīng)工藝驗證可靠性后續(xù)流程也不允許對撥碼開關(guān)上進行打膠工序，一經(jīng)出現(xiàn)刷膠問題，立即隔離故障品，不允許將異常品流出。

針對不良品異物的處理，分為兩個部分：①針對裝配生產(chǎn)機臺生產(chǎn)過程中的異物，②針對產(chǎn)品本身塑膠部件毛刺進入產(chǎn)品內(nèi)部成為異物。經(jīng)過這兩項處理后，能有效預(yù)防產(chǎn)品內(nèi)部有異物的不良。

4）器件碎屑異物問題點供應(yīng)端改進預(yù)防措施：

a）自動化機臺的改善（針對機臺操作時所產(chǎn)生的異物、塵屑來源）：

①工程人員在原有的氣道槍嘴基礎(chǔ)上，再次沿著產(chǎn)品輸送軌道添加氣道槍嘴設(shè)施，增加對蓋、底板氣動清潔的次數(shù)，在蓋底板密封超聲前，保持始終有氣體對蓋底板做氣動清潔。

②震動盤上打孔，增加機臺自身震動時的清理碎屑功能，將碎屑震入異物收納袋內(nèi)，降低塑膠碎屑流入下一序；同時人員輔助清理碎屑工作，機臺操作人員規(guī)定將持續(xù)性的對產(chǎn)線上各工站的清理及震動盤內(nèi)碎屑、異物等進行清潔，注意清結(jié)時不允許使用風(fēng)槍，要求必須使用吸塵器清結(jié)。

b）注塑零部件毛刺的處理（針對產(chǎn)品本身塑膠件異物的來源）：

注塑生產(chǎn)車間生產(chǎn)的零部件在包裝前新增加兩道工序：

①新增去毛刺機設(shè)備，主要是去除零部件表面的毛刺、毛邊，為了進一步確保產(chǎn)品品質(zhì)效果；

②待產(chǎn)品毛刺去除完畢后，再進行超音波清洗機清洗，目的為了更有效地清除零部件內(nèi)部雜質(zhì)、異物、塵屑；清洗后烘烤，烘烤干再進行包裝。

3 結(jié)束語

通過對撥碼開關(guān)在線失效現(xiàn)象的研究與總結(jié)，從器件生產(chǎn)商到在線使用端、從材料到作業(yè)工序排查相關(guān)影響因素，排查過程中找到了影響失效的相關(guān)原因，也發(fā)現(xiàn)異物管控、在線生產(chǎn)制造過程中等還存在很多不足。通過排查感悟，撥碼開關(guān)雖然是一個簡單的開關(guān)器件，但失效同樣會帶來嚴重的影響。涉及機械運動結(jié)構(gòu)器件必須重視異物管控，涉及電子組裝焊接必須重視材質(zhì)耐熱和生產(chǎn)爐溫參數(shù)的匹配，以上研究內(nèi)容希望能給電子組裝從業(yè)者對于其他同類型電子元器件的失效原因排查提供一些思考。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）