Klassisk fejlanalyse (FA) vedrører generelt fejl i en enkelt komponent, der udgør en del af et samlet produkt, med henblik på at finde hovedårsagen til fejlen. Denne tilgang er billig og mindre tidskrævende. Der er imidlertid en risiko for at ende med en forkert fortolkning af produktfejlen eller overse synergieffekten af forskellige komponenter, der relaterer sig til fejlen.

Denne artikel handler om et produkt på markedet, der undergår en produktudviklingsproces som følge af observerede fejl. Af fortrolighedshensyn er det ikke alle produktoplysninger, der nævnes i denne artikel. Produktet anvendes i rene miljøer med varmt vand ved temperaturer på ca. 93 °C. Produktet består af semi-krystallinsk polymer – polyoxymethylen (POM) – kabinet og PCBA, som er støbt ind i kabinettet med polyuretan (PU), og elektroder (figur 1).

POM kabinet og PCBA
Figur 1. Øverst: POM-kabinet set for- og bagfra. Nederst: PCBA med tilslutninger og røntgenvisning af enheden.

Producenten, som er en succesrig virksomhed i segmentet små og mellemstore virksomheder, eksporterer til hele verden og har flere gange modtaget prisen som landets hurtigst voksende virksomhed inden for sin kategori. Virksomheden har andre lignende produkter på markedet, som gennem flere årtier har fungeret uden problemer trods brug i forskellige miljøer.

Figur 2 viser et klassisk eksempel på det fejlbehæftede produkt. Almindeligt observerede fejl er: Adskillige revner i kabinettet, flydende væsker, der trænger gennem revner ud på overflader, hydrolyseret PU og spor af korroderet kobber (Cu) fra PCBA’en.

Fejlbehæftet produkt
Figur 2. Øverst: Revne og flydende væske på enhedens overflade. Midten: Hydrolyseret PU. Nederst: Korroderede metalspor.

På grund af manglende materiale viden anvender firmaet en distributør af plastmaterialer til vejledning, og POM vælges som kabinetmateriale. Indenfor faglitteraturen beskrives POM generelt som et stærkt og fast materiale med fremragende modstandsdygtighed over for materialetræthed, krybning, kemikalier og fugt samt gode termoplastiske egenskaber. Det er derfor nemt at forme, samtidig med at det er én af de billigste typer konstruktionsplast på markedet. Umiddelbart var det lige præcis det, virksomheden havde brug for. De råmaterialer, der blev anvendt til fremstillingen af POM-kabinettet, har medium viskositet, indeholder ingen tilsætningsstoffer eller forstærkningsfibre og en basisk resinbaseret polyacetal (et andet navn for POM).

Hvad angår resin, som er en del af det anvendte POM-materiale, siger dataarket følgende: “I forhold til modstandsdygtighed over for varmt vand er temperaturgrænsen for copolymerer 90 °C ved anvendelse i et år og 65 °C ved anvendelse i ti år.” Disse grænser er alene baseret på varmt vand som belastningsfaktor. Den forventede levetid for produktet er 2,5 år.

POM har også mange svagheder. En af disse svagheder er illustreret i figur 3. Når smeltemassen omdannes til fast form, reduceres den specifikke volumen med ca. 29 %. Denne volumenkrympe kunne kompenseres blot ved at pumpe mere smeltemasse ind i formen under forstærkningsperioden for ensartede strukturer. Ved komplekse geometrier – som det er tilfældet her – er dette ikke muligt. Det betyder, at der kan opstå skævhed, belastningslinjer på overflader, intern stress og hulrum i bulkvolumen (figur 3 og 4). Store støbespændinger kan på et senere tidspunkt udløse og forårsage en række revner som illustreret i figur 4.

Nye POM-kabinetter og specifik volumenforandring
Figur 3. Øverst: Nye POM-kabinetter med hakanvisere på overfladen markeret med pile. Nederst: Specifik volumenforandring ved omdannelse fra flydende smeltemasse til hærdet polymertilstand. For POM gælder EHDA-linjen i grafen.
Indfrossetbelastning omdanner mikrovoider til makrovoider og flere revnedannelser
Figur 4. Øverst: Indfrosset belastning omdanner mikrovoider til makrovoider. Nederst: Flere revnedannelser.

Når en ekstern belastning holdes konstant, viser enheden en gradvis plastisk deformation kaldet krybedeformation, og denne svaghed har POM. Dette kan tydeligt observeres ved forhøjede temperaturer (T>0,3 Tm), hvor Tm betyder smeltepunktet for POM, og Tm for POM er 166 °C.

Den forhøjede temperaturtilstand, T>0,3 Tm, svarer til 49,8 °C for POM (0,3 X 166 = 49,8). Da driftstemperaturen for enheden er på 93 °C, er høj krybedeformation uundgåeligt. Derudover har POM meget høj hakfølsomhed. Det kan forklare, hvorfor nogle revner havde initieringspunkt i de skarpe hjørner.

PU er et 2-komponent-indstøbningsmateriale af polyuretan baseret på polyether – og polyester-polyoler og hærdede aromatiske di-isocyanater. Uretaner baseret på polyester har gode temperaturmodstandsegenskaber. De har imidlertid esterbinding i den bløde del, som er modtagelig for hydrolyse. Polyether-baseret polyuretan er forholdsvis modstandsdygtigt over for hydrolytiske angreb, men har lav temperaturmodstand. Nogle estertyper er genstand for hydrolyse ved neddypning i vand.

Selvom korrekt sammensatte polymere stoffer vil være anvendelige i mange år ved konstant neddypning i vand ved eller under stuetemperatur, bør enhver potentiel installation, der involverer konstant neddypning i vand ved temperaturer over 50 °C evalueres omhyggeligt. I en esterhydrolyse omdannes syre og alkohol som produkt, og syren fungerer som katalysator for yderligere esterhydrolyse. Den autokatalytiske natur af denne nedbrydning, hvor mindst én af reaktanterne også er et produkt, gør, at polyesterbaserede polyuretaner generelt nedbrydes hurtigere end deres modstykke, polyether. Figur 2 i midten viser en hydrolyseret PU-masse. PCBA’en havde en PU-baseret conformal coating, som også havde tendens til hydrolyse.

Der blev observeret korrosion af kobber i de hydrolyserede områder af PU-massen (figur 5). På billedet i figur 5 viser korrosionsprodukter, der vokser ind i loddestopmaske. EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) undersøgte den kemiske sammensætning af korrosionsprodukterne, loddestopmaske og conformal coating – resultaterne fremgår af figur 6.

 PCBA med hydrolyseret PU-form og spor af korroderet kobber og billede af tværsnit af PCBA langs sporet af korroderet kobber
Figur 5. Øverst: PCBA med hydrolyseret PU-form og spor af korroderet kobber. Nederst: Billede af tværsnit af PCBA langs sporet af korroderet kobber.
SEM-mikrobillede af tværsnit med EDS-spektra af udvalgte elementer vist i forskellige lag
Figur 6. SEM-mikrobillede af tværsnit med EDS-spektra af udvalgte elementer vist i forskellige lag.

Figur 6 viser, at korrosionsprodukterne er kobberkloridforbindelser (Cu-Cl). EDS udførte en analyse af loddestopmaske, som viste indhold af Cl. Elektronnegativitet for Cl er højere end for svovl (som også er en bestanddel i loddestopmaske). Dette kan forklare, hvorfor korrosionsprodukter har et højt indhold af Cl.

I det daglige skyldes fejl ofte en enkelt komponent i et produkt, dvs. den første komponent, der fejler. I disse tilfælde anvendes FA-teknikker til at undersøge disse specifikke komponenter. Dette er en fordelagtig løsning, da den er billig og generelt kræver mindre tid at udføre. Dog opnår man med denne tilgang ikke synergieffekterne af de forskellige produktkomponenter, der bidrager til fejl, hvilket kan resultere i en misfortolkning eller utilstrækkelig forståelse af fejlen. Undersøgelsen har vist, at tilgangen med at betragte hele produktet som et fejlprodukt og derefter undersøge det ved hjælp af FA-teknikker under hele produktundersøgelsen er afgørende for at identificere løsninger, der resulterer i den nødvendige produktpålidelighed.

Mere info

For yderligere information, kontakt venligst specialist Yavuz Köse, Microelectronics.