撥碼開關在線使用可靠性研究

撥碼開關（DIP 開關，撥動開關，超頻開關、地址開關等），是一款用來操作控制的地址開關，采用的是0/1的二進制編碼原理。是通過撥動開關柄使電路接通或斷開，從而達到切換電路的目的。撥碼開關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、性能穩定可靠的特點，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。撥碼開關是通過撥動手柄使電路接通或斷開的器件。撥碼開關具有多個通路，內部通過彈片與底座觸點的接觸或斷開來實現開通功能。撥碼開關內部觸點鍍層為鍍金。撥碼開關有很多款型號，按照腳位來區分有直插式（DIP）和貼片式（SMD）按照撥動方式來分有平撥跟側撥之分，甲公司所用的撥碼開關為平撥式撥碼開關。每一個鍵對應的背面上、下各有兩個引腳，撥至ON 一側，對應下面兩個引腳導通；反之則斷開。各鍵之間是獨立的，相互沒有關聯，多用于二進制編碼。撥碼開關作為需要手動操作的微型開關，在兩態之間變換，再根據不同的位組成2 的N 次方的不同狀態，實現不同的功能。

圖1 撥碼開關

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時在經過1 次撥碼后，撥碼開關出現不導通情況，經過對大量故障樣品進行全面失效分析與數據比對。對撥碼開關失效總結存在以下3 個方面，撥碼開關制作廠商制程過程中導致彈片變形引發的接觸導通問題；安裝使用過程中不正當的撥碼動作造成器件受力異常引發的內部結構形變；撥碼開關內部腔體異物，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中的異物引入，加工過程中受溫度影響材料受熱產生的狀態變化。經過數據分析，發現彈片變形是撥碼開關的主要失效方式，占比45%，其次是不規范的撥碼動作占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 撥碼開關主要失效原因

1.1 故障現象1：撥碼簧片變形

在線使用撥碼開關進行撥碼動作后未導通，器件廠家在對產品進行加工時，由于工藝粗糙，導致撥碼開關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，與導通靜觸點接觸出現未導通、導通不穩定。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。影響簧片產生形變因素不局限生產商的組裝階段，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致撥碼開關內部動簧片產生形變，作業員工有時圖方便，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，容易導致撥碼開關內部簧片出現人為形變，所以在對物料來料源頭進行管控的同時，使用過程也需規范作業工具及撥碼動作，對相關制程動作提供作業指導，并約束禁止違規作業。

圖3 X射線透視圖片

圖4 不規范撥碼操作的現象

1.2 故障現象2： 撥碼過程加工異物、材質耐熱問題

在對在線失效故障件進行分析過程中，發現部分撥碼開關引腳及根部有液態膠物質附著，通過高強度紫外燈照射出現明顯顏色反饋，解剖內部腔體發現引腳靜觸點上及簧片動觸點上存在明顯的膠狀物質，通過紅外線光譜儀測試，分析該類物質為膠狀物質，器件生產廠家制程不涉及此類物質，經排查在線使用工序及各生產環節，初步認定刷三防膠工序作業異常，撥碼開關本體非密封結構，引腳部位與腔體內部存在明顯縫隙，撥碼開關位置非刷膠區域，三防膠作業是人工作業，作業人員刷膠過程未控制好刷膠量以及刷膠區域，導致三防膠通過引腳縫隙涌入撥碼開關腔體內部，通過流動及撥碼動作粘附在兩極接觸觸點，引發不導通情況。

圖5 FTIR紅外線光譜儀檢測

該物質成分疑似是透明膠，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現部分器件內部觸點周邊和簧片運動軌跡區域發現黑色液態膠狀物質，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受熱，狀態發生了變化，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250 ℃，同時焊接時間不應超過10 s，解剖部分失效品內部塑殼OFF 停針位置至撥碼動作終點位置存在明顯黑色膠狀物質，部分故障品引腳靜觸點接觸位置有明顯的黑色膠狀物質溶膠情況，初步分析為回流焊接時，塑殼材料經峰值溫度受熱狀態發生變化，后續撥碼動作將膠狀物質推壓至觸點接觸區域，引發導通問題。

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，發現材質無差異( 均為PA)，滿足器件材質要求。測試設備：傅里葉紅外光譜儀。

圖7 黑色液態膠狀物質

圖8 爐溫曲線測試數據

圖10 異常批次塑殼材質測試譜圖（測試設備：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，發現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PCB 板板厚設定溫度參數，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，處于高溫區時間過長，超過物料本身材質的要求極限。

1.3 故障現象3：廠家清潔不到位導致的異物殘留

對部分在線失效故障品解剖后腔體內有明顯的注塑件的異物，大部分材質與外殼材質一致，異物材質堅硬，撥碼開關在進行撥碼動作時，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生形變。該注塑件異物體積相對較大，無法通過撥碼開關外部結構進入，分析為廠家生產制作過程中，相關清潔工藝不到位，導致注塑件殘留在器件腔體內。

圖11 異物殘留

小結：撥碼開關的在線導通故障主要受3個因素影響：

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部異物引起的導通問題。

2 可靠性提升方案

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

2）規范在線使用端作業規范要求，對于撥碼動作及使用工具等相關要求納入作業指導文件中，同時加強監督管控以及違規處罰，后階段設置相關檢驗項目，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，避免因溫度差引發焊接質量問題，同時撥碼開關塑殼材質需盡可能提升耐熱性能，推動材質選用升級替換，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，明確刷三防膠的作業范圍，將刷膠問題點作為典型問題點制作作業看板，同時未經工藝驗證可靠性后續流程也不允許對撥碼開關上進行打膠工序，一經出現刷膠問題，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針對裝配生產機臺生產過程中的異物，②針對產品本身塑膠部件毛刺進入產品內部成為異物。經過這兩項處理后，能有效預防產品內部有異物的不良。

4）器件碎屑異物問題點供應端改進預防措施：

a）自動化機臺的改善（針對機臺操作時所產生的異物、塵屑來源）：

①工程人員在原有的氣道槍嘴基礎上，再次沿著產品輸送軌道添加氣道槍嘴設施，增加對蓋、底板氣動清潔的次數，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，降低塑膠碎屑流入下一序；同時人員輔助清理碎屑工作，機臺操作人員規定將持續性的對產線上各工站的清理及震動盤內碎屑、異物等進行清潔，注意清結時不允許使用風槍，要求必須使用吸塵器清結。

b）注塑零部件毛刺的處理（針對產品本身塑膠件異物的來源）：

注塑生產車間生產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，為了進一步確保產品品質效果；

②待產品毛刺去除完畢后，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部雜質、異物、塵屑；清洗后烘烤，烘烤干再進行包裝。

3 結束語

通過對撥碼開關在線失效現象的研究與總結，從器件生產商到在線使用端、從材料到作業工序排查相關影響因素，排查過程中找到了影響失效的相關原因，也發現異物管控、在線生產制造過程中等還存在很多不足。通過排查感悟，撥碼開關雖然是一個簡單的開關器件，但失效同樣會帶來嚴重的影響。涉及機械運動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耐熱和生產爐溫參數的匹配，以上研究內容希望能給電子組裝從業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。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年3月期）