撥碼開(kāi)關(guān)在線(xiàn)使用可靠性研究

撥碼開(kāi)關(guān)（DIP 開(kāi)關(guān)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，超頻開(kāi)關(guān)、地址開(kāi)關(guān)等），是一款用來(lái)操作控制的地址開(kāi)關(guān)，采用的是0/1的二進(jìn)制編碼原理。是通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)柄使電路接通或斷開(kāi)，從而達到切換電路的目的。撥碼開(kāi)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(dòng)作靈活、性能穩定可靠的特點(diǎn)，用于數據處理、通信適用于小型家用電器、玩具及小型儀器儀表上。撥碼開(kāi)關(guān)是通過(guò)撥動(dòng)手柄使電路接通或斷開(kāi)的器件。撥碼開(kāi)關(guān)具有多個(gè)通路，內部通過(guò)彈片與底座觸點(diǎn)的接觸或斷開(kāi)來(lái)實(shí)現開(kāi)通功能。撥碼開(kāi)關(guān)內部觸點(diǎn)鍍層為鍍金。撥碼開(kāi)關(guān)有很多款型號，按照腳位來(lái)區分有直插式（DIP）和貼片式（SMD）按照撥動(dòng)方式來(lái)分有平撥跟側撥之分，甲公司所用的撥碼開(kāi)關(guān)為平撥式撥碼開(kāi)關(guān)。每一個(gè)鍵對應的背面上、下各有兩個(gè)引腳，撥至ON 一側，對應下面兩個(gè)引腳導通；反之則斷開(kāi)。各鍵之間是獨立的，相互沒(méi)有關(guān)聯(lián)，多用于二進(jìn)制編碼。撥碼開(kāi)關(guān)作為需要手動(dòng)操作的微型開(kāi)關(guān)，在兩態(tài)之間變換，再根據不同的位組成2 的N 次方的不同狀態(tài)，實(shí)現不同的功能。

圖1 撥碼開(kāi)關(guān)

1 失效原因及失效機理分析

甲公司在線(xiàn)使用該款貼片撥碼開(kāi)關(guān)時(shí)在經(jīng)過(guò)1 次撥碼后，撥碼開(kāi)關(guān)出現不導通情況，經(jīng)過(guò)對大量故障樣品進(jìn)行全面失效分析與數據比對。對撥碼開(kāi)關(guān)失效總結存在以下3 個(gè)方面，撥碼開(kāi)關(guān)制作廠(chǎng)商制程過(guò)程中導致彈片變形引發(fā)的接觸導通問(wèn)題；安裝使用過(guò)程中不正當的撥碼動(dòng)作造成器件受力異常引發(fā)的內部結構形變；撥碼開(kāi)關(guān)內部腔體異物，異物來(lái)源存在兩個(gè)渠道，廠(chǎng)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(guò)程中受溫度影響材料受熱產(chǎn)生的狀態(tài)變化。經(jīng)過(guò)數據分析，發(fā)現彈片變形是撥碼開(kāi)關(guān)的主要失效方式，占比45%，其次是不規范的撥碼動(dòng)作占19%，廠(chǎng)家清潔異物過(guò)程、異物問(wèn)題分別占比18%。下面對幾種失效模式進(jìn)一步探究。

圖2 撥碼開(kāi)關(guān)主要失效原因

1.1 故障現象1：撥碼簧片變形

在線(xiàn)使用撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行撥碼動(dòng)作后未導通，器件廠(chǎng)家在對產(chǎn)品進(jìn)行加工時(shí)，由于工藝粗糙，導致?lián)艽a開(kāi)關(guān)內部簧片出現嚴重程度不一的形變情況，安裝后由于簧片存在形變，與導通靜觸點(diǎn)接觸出現未導通、導通不穩定。該問(wèn)題較為隱蔽，在不進(jìn)行破壞性手段下，通過(guò)X射線(xiàn)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(dòng)作或使用錯誤的撥碼工具同樣會(huì )導致?lián)艽a開(kāi)關(guān)內部動(dòng)簧片產(chǎn)生形變，作業(yè)員工有時(shí)圖方便，剛好趁手使用尖針鑷子或者筆等工具進(jìn)行撥碼，由于此類(lèi)器物形狀差異大，作用到按鍵上的力的大小和方向難控制，容易導致?lián)艽a開(kāi)關(guān)內部簧片出現人為形變，所以在對物料來(lái)料源頭進(jìn)行管控的同時(shí)，使用過(guò)程也需規范作業(yè)工具及撥碼動(dòng)作，對相關(guān)制程動(dòng)作提供作業(yè)指導，并約束禁止違規作業(yè)。

圖3 X射線(xiàn)透視圖片

圖4 不規范撥碼操作的現象

1.2 故障現象2： 撥碼過(guò)程加工異物、材質(zhì)耐熱問(wèn)題

在對在線(xiàn)失效故障件進(jìn)行分析過(guò)程中，發(fā)現部分撥碼開(kāi)關(guān)引腳及根部有液態(tài)膠物質(zhì)附著(zhù)，通過(guò)高強度紫外燈照射出現明顯顏色反饋，解剖內部腔體發(fā)現引腳靜觸點(diǎn)上及簧片動(dòng)觸點(diǎn)上存在明顯的膠狀物質(zhì)，通過(guò)紅外線(xiàn)光譜儀測試，分析該類(lèi)物質(zhì)為膠狀物質(zhì)，器件生產(chǎn)廠(chǎng)家制程不涉及此類(lèi)物質(zhì)，經(jīng)排查在線(xiàn)使用工序及各生產(chǎn)環(huán)節，初步認定刷三防膠工序作業(yè)異常，撥碼開(kāi)關(guān)本體非密封結構，引腳部位與腔體內部存在明顯縫隙，撥碼開(kāi)關(guān)位置非刷膠區域，三防膠作業(yè)是人工作業(yè)，作業(yè)人員刷膠過(guò)程未控制好刷膠量以及刷膠區域，導致三防膠通過(guò)引腳縫隙涌入撥碼開(kāi)關(guān)腔體內部，通過(guò)流動(dòng)及撥碼動(dòng)作粘附在兩極接觸觸點(diǎn)，引發(fā)不導通情況。

圖5 FTIR紅外線(xiàn)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(xiàn)使用膠類(lèi)異物排查過(guò)程中發(fā)現部分器件內部觸點(diǎn)周邊和簧片運動(dòng)軌跡區域發(fā)現黑色液態(tài)膠狀物質(zhì)，顏色異于三防膠，推斷是器件在進(jìn)行在線(xiàn)組裝焊接過(guò)程中材質(zhì)受熱，狀態(tài)發(fā)生了變化，出現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(guò)250 ℃，同時(shí)焊接時(shí)間不應超過(guò)10 s，解剖部分失效品內部塑殼OFF 停針位置至撥碼動(dòng)作終點(diǎn)位置存在明顯黑色膠狀物質(zhì)，部分故障品引腳靜觸點(diǎn)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(shí)，塑殼材料經(jīng)峰值溫度受熱狀態(tài)發(fā)生變化，后續撥碼動(dòng)作將膠狀物質(zhì)推壓至觸點(diǎn)接觸區域，引發(fā)導通問(wèn)題。

通過(guò)對前后兩個(gè)不同時(shí)間段庫存制品進(jìn)行外殼注塑件材料進(jìn)行測試，發(fā)現材質(zhì)無(wú)差異( 均為PA)，滿(mǎn)足器件材質(zhì)要求。測試設備：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(xiàn)測試數據

圖10 異常批次塑殼材質(zhì)測試譜圖（測試設備：傅里葉紅外光譜儀）

對在線(xiàn)使用該款物料的回流焊線(xiàn)體進(jìn)行爐溫曲線(xiàn)排查，發(fā)現部分雙軌線(xiàn)體爐溫溫差存在差異，相差溫度達5℃，同時(shí)爐溫曲線(xiàn)依據PCB 板板厚設定溫度參數，對具體焊盤(pán)情況沒(méi)有進(jìn)行細化測試，部分焊盤(pán)小的傳熱速率較快，實(shí)際溫度與設定溫度差異較大，同時(shí)在核實(shí)爐溫曲線(xiàn)時(shí)，該物料在240 ℃ 以上存在時(shí)間達20 s，處于高溫區時(shí)間過(guò)長(cháng)，超過(guò)物料本身材質(zhì)的要求極限。

1.3 故障現象3：廠(chǎng)家清潔不到位導致的異物殘留

對部分在線(xiàn)失效故障品解剖后腔體內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(kāi)關(guān)在進(jìn)行撥碼動(dòng)作時(shí)，簧片受阻擋無(wú)法與引腳靜觸點(diǎn)接觸到位，部分簧片針腳受異物影響進(jìn)行撥碼動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生形變。該注塑件異物體積相對較大，無(wú)法通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)外部結構進(jìn)入，分析為廠(chǎng)家生產(chǎn)制作過(guò)程中，相關(guān)清潔工藝不到位，導致注塑件殘留在器件腔體內。

圖11 異物殘留

小結：撥碼開(kāi)關(guān)的在線(xiàn)導通故障主要受3個(gè)因素影響：

1）供應商加工工藝異?；蚴褂枚瞬灰幏兜牟僮鞣绞揭鸬幕善巫?。

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(chǎng)家清潔工藝異常內部異物引起的導通問(wèn)題。

2 可靠性提升方案

1）將單導通引腳結構改為雙導通引腳，在一個(gè)引腳產(chǎn)生形變異常同時(shí)另一個(gè)引腳能滿(mǎn)足導通需求，提升器件可靠性，從結構角度提升導通穩定性，現目前基本已實(shí)現覆蓋。

2）規范在線(xiàn)使用端作業(yè)規范要求，對于撥碼動(dòng)作及使用工具等相關(guān)要求納入作業(yè)指導文件中，同時(shí)加強監督管控以及違規處罰，后階段設置相關(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(shí)班前、班中、班后3 次爐溫曲線(xiàn)測試，同時(shí)需將雙通道覆蓋到位，避免因溫度差引發(fā)焊接質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)撥碼開(kāi)關(guān)塑殼材質(zhì)需盡可能提升耐熱性能，推動(dòng)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(guò)程可能達到極限溫度。加強員工培訓，明確刷三防膠的作業(yè)范圍，將刷膠問(wèn)題點(diǎn)作為典型問(wèn)題點(diǎn)制作作業(yè)看板，同時(shí)未經(jīng)工藝驗證可靠性后續流程也不允許對撥碼開(kāi)關(guān)上進(jìn)行打膠工序，一經(jīng)出現刷膠問(wèn)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(gè)部分：①針對裝配生產(chǎn)機臺生產(chǎn)過(guò)程中的異物，②針對產(chǎn)品本身塑膠部件毛刺進(jìn)入產(chǎn)品內部成為異物。經(jīng)過(guò)這兩項處理后，能有效預防產(chǎn)品內部有異物的不良。

4）器件碎屑異物問(wèn)題點(diǎn)供應端改進(jìn)預防措施：

a）自動(dòng)化機臺的改善（針對機臺操作時(shí)所產(chǎn)生的異物、塵屑來(lái)源）：

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

②震動(dòng)盤(pán)上打孔，增加機臺自身震動(dòng)時(shí)的清理碎屑功能，將碎屑震入異物收納袋內，降低塑膠碎屑流入下一序；同時(shí)人員輔助清理碎屑工作，機臺操作人員規定將持續性的對產(chǎn)線(xiàn)上各工站的清理及震動(dòng)盤(pán)內碎屑、異物等進(jìn)行清潔，注意清結時(shí)不允許使用風(fēng)槍?zhuān)蟊仨毷褂梦鼔m器清結。

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(lái)源）：

注塑生產(chǎn)車(chē)間生產(chǎn)的零部件在包裝前新增加兩道工序：

①新增去毛刺機設備，主要是去除零部件表面的毛刺、毛邊，為了進(jìn)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(jìn)行超音波清洗機清洗，目的為了更有效地清除零部件內部雜質(zhì)、異物、塵屑；清洗后烘烤，烘烤干再進(jìn)行包裝。

3 結束語(yǔ)

通過(guò)對撥碼開(kāi)關(guān)在線(xiàn)失效現象的研究與總結，從器件生產(chǎn)商到在線(xiàn)使用端、從材料到作業(yè)工序排查相關(guān)影響因素，排查過(guò)程中找到了影響失效的相關(guān)原因，也發(fā)現異物管控、在線(xiàn)生產(chǎn)制造過(guò)程中等還存在很多不足。通過(guò)排查感悟，撥碼開(kāi)關(guān)雖然是一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)器件，但失效同樣會(huì )帶來(lái)嚴重的影響。涉及機械運動(dòng)結構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)爐溫參數的匹配，以上研究?jì)热菹Ｍ芙o電子組裝從業(yè)者對于其他同類(lèi)型電子元器件的失效原因排查提供一些思考。

參考文獻：

[1] 張永亮,眭敏. 撥碼開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)腐蝕失效分析與預防[J].電子產(chǎn)品世界, 2021,28(7):72-75.

[2] 王波,李金生,楊碩.常閉式觸發(fā)開(kāi)關(guān)失效分析及預防措施[J].理化檢驗(物理分冊), 2017(2):19-24.

[3] 謝國平.數顯式彈簧試驗機撥碼開(kāi)關(guān)故障的排除[J].航空計測技術(shù), 1996(3):44-48.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）