Las causas principales del agrietamiento de los componentes provienen de la tensión mecánica o térmica: durante la fabricación, el ensamblaje o el funcionamiento, dicha tensión supera la resistencia mecánica del material (generalmente cerámica, silicio o encapsulado plástico). Este es un problema típico de fiabilidad del proceso.
La razón principal es la "concentración de estrés" y las causas específicas se pueden clasificar de la siguiente manera:
I. Grietas causadas por estrés térmico (una de las causas más comunes)
1. Choque térmico durante la soldadura por reflujo
● Causa: Desajuste en los coeficientes de dilatación térmica entre los componentes y las uniones de soldadura, o entre el componente y el sustrato de la placa de circuito impreso. Durante el rápido proceso de calentamiento y enfriamiento de la soldadura por reflujo, la contracción/expansión de las diferentes partes es inconsistente, lo que genera fuerzas de cizallamiento internas.
● Características típicas: Las grietas suelen originarse en la unión de la soldadura con los componentes, o en el centro de la base de los mismos. Son frecuentes en condensadores cerámicos multicapa (MLCC), resistencias de película gruesa y componentes cerámicos encapsulados de gran tamaño.
2. Sobrecalentamiento secundario durante la soldadura por ola
● Causa: En las placas de circuito impreso que han sido sometidas a ensamblaje SMT, los componentes quedan expuestos a soldadura a alta temperatura durante un período prolongado durante la soldadura por ola, lo que provoca una acumulación de estrés térmico.
● Características típicas: Ocurre en PCB cuando se requieren procesos de ensamblaje mixtos; los componentes agrietados a menudo se ensamblan mediante SMT, ubicados en la superficie (inferior) para soldadura por ola.
3. Operaciones de retrabajo inadecuadas
● Causa: El calentamiento localizado a alta temperatura (pistola de aire caliente) y el enfriamiento rápido crean un gran gradiente térmico local.
● Características típicas: Se producen grietas aleatorias en los componentes alrededor del área de retrabajo.
II. Grietas causadas por esfuerzos mecánicos
1. Esfuerzo de separación
● Causa: La tensión de flexión o vibración generada durante el corte mecánico (corte en V u otro separador) o la división manual puede transferirse directamente a los componentes frágiles.
Características típicas: Los componentes agrietados se encuentran cerca del borde de la placa de circuito impreso o de la ranura en V. Los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) son particularmente vulnerables.
2. Flexión o deformación de la placa de circuito impreso
● Proceso de ensamblaje: El apriete excesivo de los tornillos, la flexión de la placa durante la instalación en el soporte y las fuerzas de inserción/extracción de los conectores provocan la deformación de la placa.
● Problemas de diseño: Resistencia insuficiente de la placa de circuito impreso, lo que provoca que se doble bajo su propio peso o fuerzas externas.
● Características típicas: Pueden aparecer grietas en componentes grandes cerca del centro de la placa de circuito impreso o en puntos fijos.
3. Sondas de prueba o impactos externos
● Causas: Presión excesiva aplicada por las sondas durante las pruebas en circuito o las pruebas funcionales; caídas o colisiones durante la manipulación en producción.
● Características típicas: Daños localizados, posiblemente con puntos de impacto externos visibles.
III. Problemas de correspondencia entre el diseño de componentes y procesos
1. Diseño de almohadilla inadecuado
● Causas: Las almohadillas demasiado grandes o demasiado pequeñas dan como resultado una mala forma de la junta de soldadura después del reflujo, lo que crea una tensión adicional de tracción o compresión en los componentes.
● Características típicas: Un extremo del componente se levanta (efecto de lápida) o la parte inferior se comprime excesivamente.
2. Selección de componentes y problemas de diseño
● Causa: Se utilizaron MLCC de tamaño excesivo (por ejemplo, 1210 y mayores) o componentes con encapsulado cerámico en áreas sensibles a la tensión (por ejemplo, cerca de los bordes de la placa, agujeros para tornillos, dobleces).
● Características típicas: Problemas de lotes con las mismas especificaciones en ubicaciones específicas.
3. Problemas con las aberturas de la plantilla y la cantidad de soldadura
● Causa: Exceso de pasta de soldadura, lo que da como resultado juntas de soldadura excesivamente altas después del reflujo, lo que provoca tensión al "levantar" los componentes durante el enfriamiento y la solidificación.
● Características típicas: Los componentes están levantados y se observa un exceso de soldadura en la parte inferior.
IV. Defectos materiales e internos
1. Microfisuras en el propio componente.
● Causa: Existían microfisuras internas en los componentes durante la producción (por ejemplo, durante la fabricación de MLCC), y estas fisuras se propagaron bajo la tensión posterior.
● Características típicas: La falla es aleatoria; el defecto original se puede detectar mediante rayos X o análisis de sección transversal.
2. Agrietamiento del dispositivo tras la absorción de humedad.
● Causa: Cuando los dispositivos encapsulados en plástico (como los circuitos integrados) absorben humedad, esta se vaporiza y se expande bajo las altas temperaturas de la soldadura por reflujo, creando un efecto de "palomitas de maíz".
● Características típicas: El embalaje de plástico se abomba y se agrieta, lo que suele ocurrir en dispositivos que no se hornearon adecuadamente después de haber sido almacenados en condiciones de humedad.
Solución de problemas:
Cuando se produzcan grietas, se recomienda seguir estos pasos para su análisis:
1. Análisis de ubicación: Confirme el patrón de ubicación de los dispositivos agrietados (si están cerca del borde de la PCB o de los puntos de tensión) y el patrón de tipo (si todos son MLCC de gran tamaño o del mismo tipo de dispositivo).
2. Observación morfológica: Utilice un microscopio óptico, rayos X y análisis de sección transversal para observar el origen y la trayectoria de la grieta, determinando si es de tipo tensión térmica (desde el extremo de la soldadura hacia adentro) o de tipo tensión mecánica (fractura lateral).
3. Retrospección del proceso: Verifique el proceso de despanelado, el perfil de soldadura por reflujo (especialmente la velocidad de aumento/disminución de la temperatura), los registros de retrabajo y los dispositivos de prueba. 4. Inspección de diseño y materiales: Revise el diseño de la placa de circuito impreso y el diseño de las almohadillas, confirme los requisitos de tensión mecánica de las especificaciones del componente y realice pruebas de tensión por muestreo en los componentes entrantes cuando sea necesario.
Es mejor prevenir que solucionar los problemas posteriores.
Enfoques clave: optimizar el diseño de la placa de circuito impreso (PCB), mejorar los procesos de separación de paneles (preferiblemente utilizando fresas), controlar los perfiles de temperatura de la soldadura por reflujo, realizar simulaciones de tensión en componentes sensibles y evitar la flexión de la PCB durante el ensamblaje.
Cuando se presenten problemas complejos como el agrietamiento de componentes, considere el siguiente análisis de fallas y métodos de detección para localizar rápidamente la causa raíz:
1. Inspección no destructiva: Utilice rayos X 3D para inspeccionar grietas internas, huecos y condiciones de soldadura para localizar defectos.
2. Análisis de morfología y composición: Observar la morfología microscópica de las grietas mediante microscopios ópticos y SEM/EDS, analizar la composición de la fractura y determinar el modo de fallo (fractura frágil/dúctil).
3. Análisis de secciones: Mediante el seccionamiento de precisión (CP) y la tinción, se expone el origen preciso y la trayectoria de propagación de las grietas, lo cual es un medio clave para distinguir entre la tensión térmica y la tensión mecánica.
4. Evaluación de procesos y materiales: Medir el espesor de la unión de soldadura del compuesto intermetálico (IMC), analizar la deformación de la placa de circuito impreso (PCB), evaluar las propiedades del material de los componentes y proporcionar sugerencias de mejora basadas en datos.
5. Pruebas y verificación de confiabilidad: Diseñar pruebas de ciclos de temperatura, choque mecánico y flexión de tres puntos para reproducir fallas y verificar la efectividad de las medidas de mejora.
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Sobre el autor:
Sonic Yang
Como empresa especializada en electrónica y automatización mecánica, Sonic lleva aproximadamente 22 años dedicada al diseño de placas de circuito impreso, I+D y fabricación de productos electrónicos, como director de ingeniería, coordinando con la cadena de suministro (componentes y piezas CNC), y ofreciendo asistencia y consultoría profesional a clientes de todo el mundo.
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