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(dòng)開關(guān)，超頻開關(guān)、地址開關(guān)等），是一款用來(lái)操作控制的地址開關(guān)，采用的是0/1的二進(jìn)制編碼原理。是通過(guò)撥動(dòng)開關(guān)柄使電路接通或斷開，從而達(dá)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(dòng)作靈活、性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，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(guò)撥動(dòng)手柄使電路接通或斷開的器件。撥碼開關(guān)具有多個(gè)通路，內(nèi)部通過(guò)彈片與底座觸點(diǎn)的接觸或斷開來(lái)實(shí)現(xiàn)開通功能。撥碼開關(guān)內(nèi)部觸點(diǎn)鍍層為鍍金。撥碼開關(guān)有很多款型號(hào)，按照腳位來(lái)區(qū)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(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(gè)鍵對(duì)應(yīng)的背面上、下各有兩個(gè)引腳，撥至ON 一側(cè)，對(duì)應(yīng)下面兩個(gè)引腳導(dǎo)通；反之則斷開。各鍵之間是獨(dú)立的，相互沒有關(guān)聯(lián)，多用于二進(jìn)制編碼。撥碼開關(guān)作為需要手動(dòng)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(shí)現(xiàn)不同的功能。

圖1 撥碼開關(guān)

1 失效原因及失效機(jī)理分析

甲公司在線使用該款貼片撥碼開關(guān)時(shí)在經(jīng)過(guò)1 次撥碼后，撥碼開關(guān)出現(xiàn)不導(dǎo)通情況，經(jīng)過(guò)對(duì)大量故障樣品進(jìn)行全面失效分析與數(shù)據(jù)比對(duì)。對(duì)撥碼開關(guān)失效總結(jié)存在以下3 個(gè)方面，撥碼開關(guān)制作廠商制程過(guò)程中導(dǎo)致彈片變形引發(fā)的接觸導(dǎo)通問(wèn)題；安裝使用過(guò)程中不正當(dāng)?shù)膿艽a動(dòng)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(lái)源存在兩個(gè)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(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(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(dòng)作占19%，廠家清潔異物過(guò)程、異物問(wèn)題分別占比18%。下面對(duì)幾種失效模式進(jìn)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(jìn)行撥碼動(dòng)作后未導(dǎo)通，器件廠家在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工時(shí)，由于工藝粗糙，導(dǎo)致?lián)艽a開關(guān)內(nèi)部簧片出現(xiàn)嚴(yán)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(diǎn)接觸出現(xiàn)未導(dǎo)通、導(dǎo)通不穩(wěn)定。該問(wèn)題較為隱蔽，在不進(jìn)行破壞性手段下，通過(guò)X射線透視可比對(duì)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(cuò)誤的撥碼工具同樣會(huì)導(dǎo)致?lián)艽a開關(guān)內(nèi)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(duì)物料來(lái)料源頭進(jìn)行管控的同時(shí)，使用過(guò)程也需規(guī)范作業(yè)工具及撥碼動(dòng)作，對(duì)相關(guān)制程動(dòng)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(guò)程加工異物、材質(zhì)耐熱問(wèn)題

在對(duì)在線失效故障件進(jìn)行分析過(guò)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(guò)高強(qiáng)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(diǎn)上及簧片動(dòng)觸點(diǎn)上存在明顯的膠狀物質(zhì)，通過(guò)紅外線光譜儀測(cè)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(rèn)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(guò)程未控制好刷膠量以及刷膠區(qū)域，導(dǎo)致三防膠通過(guò)引腳縫隙涌入撥碼開關(guān)腔體內(nèi)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(dǎo)通情況。

圖5 FTIR紅外線光譜儀檢測(cè)

該物質(zhì)成分疑似是透明膠，檢測(cè)分析圖譜。

圖6 FTIR分析

在對(duì)在線使用膠類異物排查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分器件內(nèi)部觸點(diǎn)周邊和簧片運(yùn)動(dòng)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(jìn)行在線組裝焊接過(guò)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(guò)250 ℃，同時(shí)焊接時(shí)間不應(yīng)超過(guò)10 s，解剖部分失效品內(nèi)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(xù)撥碼動(dòng)作將膠狀物質(zhì)推壓至觸點(diǎn)接觸區(qū)域，引發(fā)導(dǎo)通問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)前后兩個(gè)不同時(shí)間段庫(kù)存制品進(jìn)行外殼注塑件材料進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)材質(zhì)無(wú)差異( 均為PA)，滿足器件材質(zhì)要求。測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)

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

對(duì)在線使用該款物料的回流焊線體進(jìn)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(dá)5℃，同時(shí)爐溫曲線依據(jù)PCB 板板厚設(shè)定溫度參數(shù)，對(duì)具體焊盤情況沒有進(jìn)行細(xì)化測(cè)試，部分焊盤小的傳熱速率較快，實(shí)際溫度與設(shè)定溫度差異較大，同時(shí)在核實(shí)爐溫曲線時(shí)，該物料在240 ℃ 以上存在時(shí)間達(dá)20 s，處于高溫區(qū)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)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(duì)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(jiān)硬，撥碼開關(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(duì)較大，無(wú)法通過(guò)撥碼開關(guān)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)入，分析為廠家生產(chǎn)制作過(guò)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(gè)因素影響：

1）供應(yīng)商加工工藝異常或使用端不規(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(wèn)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(gè)引腳產(chǎn)生形變異常同時(shí)另一個(gè)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(shí)現(xiàn)覆蓋。

2）規(guī)范在線使用端作業(yè)規(guī)范要求，對(duì)于撥碼動(dòng)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(shí)加強(qiáng)監(jiān)督管控以及違規(guī)處罰，后階段設(shè)置相關(guān)檢驗(yàn)項(xiàng)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(cè)試，每班次至少落實(shí)班前、班中、班后3 次爐溫曲線測(cè)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(jí)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(dá)到極限溫度。加強(qiáng)員工培訓(xùn)，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(yàn)證可靠性后續(xù)流程也不允許對(duì)撥碼開關(guān)上進(jìn)行打膠工序，一經(jīng)出現(xiàn)刷膠問(wèn)題，立即隔離故障品，不允許將異常品流出。

針對(duì)不良品異物的處理，分為兩個(gè)部分：①針對(duì)裝配生產(chǎn)機(jī)臺(tái)生產(chǎn)過(guò)程中的異物，②針對(duì)產(chǎn)品本身塑膠部件毛刺進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部成為異物。經(jīng)過(guò)這兩項(xiàng)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(wèn)題點(diǎn)供應(yīng)端改進(jìn)預(yù)防措施：

a）自動(dòng)化機(jī)臺(tái)的改善（針對(duì)機(jī)臺(tái)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(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(duì)蓋、底板氣動(dòng)清潔的次數(shù)，在蓋底板密封超聲前，保持始終有氣體對(duì)蓋底板做氣動(dòng)清潔。

②震動(dòng)盤上打孔，增加機(jī)臺(tái)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(nèi)，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(jī)臺(tái)操作人員規(guī)定將持續(xù)性的對(duì)產(chǎn)線上各工站的清理及震動(dòng)盤內(nèi)碎屑、異物等進(jìn)行清潔，注意清結(jié)時(shí)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(duì)產(chǎn)品本身塑膠件異物的來(lái)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(jī)設(shè)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(jī)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(jìn)行包裝。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)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(guò)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(guò)程中等還存在很多不足。通過(guò)排查感悟，撥碼開關(guān)雖然是一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)器件，但失效同樣會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。涉及機(jī)械運(yùn)動(dòng)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?jī)?nèi)容希望能給電子組裝從業(yè)者對(duì)于其他同類型電子元器件的失效原因排查提供一些思考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張永亮,眭敏. 撥碼開關(guān)觸點(diǎn)腐蝕失效分析與預(yù)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)開關(guān)失效分析及預(yù)防措施[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)), 2017(2):19-24.

[3] 謝國(guó)平.數(shù)顯式彈簧試驗(yàn)機(jī)撥碼開關(guān)故障的排除[J].航空計(jì)測(cè)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）