Nella vita di un dispositivo elettronico vi è un numero infinito di variabili in gioco, presenti in qualsiasi punto della filiera; in un processo di analisi del guasto (failure analysis) è fondamentale capire quando, come e perché esso si sia verificato
La ‘failure analysis’ è atta a determinare le cause che portano ad un deterioramento delle prestazioni o ad un guasto irreversibile di un dispositivo o di un componente elettronico.
Al fine di comprendere i motivi scatenanti della ‘failure’ è importante conoscere quante più informazioni possibili sull’oggetto; ad esempio, come è stato immagazzinato, come è stato assemblato, la sua posizione nell’apparato finale, come e per quanto tempo è stato alimentato, le condizioni ambientali a cui è stato esposto, le modalità di guasto o del comportamento difettoso.
Grazie a queste valutazioni preliminari possono essere formulati ed eseguiti una serie di test per identificare gli agenti scatenanti, in modo da poter apportare delle correzioni al processo oppure, nei casi più critici, all'oggetto stesso.
Le prove possono essere sia di tipo distruttivo che non distruttivo, è inoltre possibile utilizzare tecniche di analisi avanzate di tipo chimico, fisico, elettrico e meccanico, anche per verificare la conformità della parte alle norme del settore o alle specifiche proprie del cliente.
La certificazione della qualità e dell’affidabilità
Preventlab è un’azienda totalmente vocata ai servizi dedicati al mondo dell’elettronica, composta da esperti conoscitori del circuito stampato, della sua fabbricazione, dei materiali impiegati, dei processi di assemblaggio, dei prodotti chimici utilizzati, nonché delle analisi di failure.
Il laboratorio, oltre che ad attestare la qualità del PCB e ad essere di supporto ai clienti nelle attività di montaggio e nel post-vendita, si è specializzato nel qualificare prodotti e processi dei propri clienti a tempo zero e a stimarne l’affidabilità col calcolo dell’MTBF.
Di recente creazione è l’area di industrializzazione prodotto che si propone di affiancare il cliente dalla progettazione (design for manufacturing) al test delle campionature montate, eseguito su una linea automatica dedicata (AOI, AXI, SPEA 4060, SPEA 4080). Avvalendosi poi dell’area di reliability (7 camere climatiche) si può valutare direttamente sui prototipi l’affidabilità in maniera preventiva.
Il laboratorio, dotato di attrezzature top di gamma e di personale certificato IPC specialist (IPC A 600, 6012, J STD 001, A 610) è in grado di caratterizzare PCB, PCBA e componenti elettronici in maniera professionale e completa.
Agire in un orizzonte digitale con la Failure Analysis
L’orizzonte futuro guarda ad una piattaforma che supporti il cliente nella gestione digitale di tutti i dati della filiera di produzione, con particolare attenzione al green deal e alla sicurezza del dato tramite blockchain. L’intelligenza artificiale, analizzando miliardi di dati, consentirà in futuro di governare in maniera retroattiva i vari processi ottenendo il loro efficientamento e la riduzione dei costi e degli sprechi.
In quest’ottica la scorsa partecipazione di Preventlab al convegno nazionale ESD (tenuto presso L3 Calzoni di Bologna) ha dato un contributo che ha posto l’accento sulla prevenzione, da non percepire come un costo fine a sé stesso o una perdita di tempo, ma come un investimento per dormire sonni tranquilli.
Uno studio a 360° che non mira solo alle tematiche classiche come l’ageing del giunto metallografico, ma un pensiero “out of the box” che abbraccia tutte le tematiche che concorrono a scatenare le failure in campo, con particolare riferimento alla chimica.
Durante l’evento è stata presentata una serie di analisi di guasto realizzate negli anni per dimostrare come, con un opportuno studio e con le dovute misure preventive (talvolta anche banali), si sarebbero potuti evitare danni di immagine e campagne di rientro.
Le failure proposte vertono sull’azione esercitata da alcuni elementi chimici come lo Zolfo, il Cloro, il Bromo, Il Fosforo, ma anche semplici fattori sfavorevoli come temperatura e umidità, che contribuiscono a creare un ambiente “harsh”, ovvero ostile, anche in condizioni che si potrebbero ritenere erroneamente blande.
Invisibili, ed apparentemente innocui a tempo zero, gli agenti chimici nel tempo si rivelano corrosivi e conduttivi, nonché promotori delle cosiddette crescite dendritiche, ovvero elettromigrazioni favorite anche dal funzionamento elettrico dei dispositivi che genera una differenza di potenziale.
Questi agenti chimici arrivano da diverse origini come la fabbricazione del PCB, i flussanti impiegati per promuovere la saldatura, i materiali di packaging, le resine che dovrebbero proteggere il PCBA, alcuni tipi di plastica, specifici ambienti di lavoro, vapori ed emissioni, la condizione di manipolazione e di stoccaggio di materie prime e dei prodotti finiti.
Casi esemplificativi
Il primo esempio riguarda un led montato sul faro di una moto. Il componente presenta una superficie annerita del substrato di argento. Analizzando l’intero dispositivo si punta l’attenzione su una spugnetta. Riproducendo il meccanismo di guasto con nuovi led e spugnetta in una camera climatica, si esegue poi l’analisi chimica che rivela lo zolfo. L’attività preventiva è scegliere un materiale (la spugna) sulphur free.
Stesso destino tocca ad una resistenza SMD montata su un sensore di parcheggio installato in prossimità del tubo di scappamento di un’autovettura e dunque esposto ai fumi di scarico. Il problema è dato dall’interruzione del layer di argento. Il guasto è reso evidente e spiegato grazie alla micro-sezione e all’indagine chimico-morfologica realizzata tramite il microscopio elettronico a scansione e sonda a raggi X. Il guasto si può evitare scegliendo un componente resistente allo zolfo.
Un altro esempio riguarda un oscillatore montato su un PCBA che lavora in un ambiente di produzione del tessuto denim, che impiega zolfo nei coloranti e lo rilascia nell’atmosfera. Lo zolfo penetra anche in spazi piccolissimi ed arriva a fissarsi sulle superfici che chimicamente lo attraggono: l’argento e il rame.
La reazione porta al guasto dell’oscillatore che si può evitare utilizzando componenti sulphur resistant.
Nel caso di una sonda per rilevare il livello del carburante (in ambiente motociclistico), i vapori della benzina passano attraverso la guarnizione in gomma dell’alloggiamento del PCBA; combinandosi coi residui di flussante “no clean”, che si riattiva, estraggono il bromo dal PCB (presente come ritardante di fiamma). Il bromo corrode ed interrompe le piste di rame del PCB in corrispondenza dello scarico del soldermask. In questo caso sarebbe bastato trattare il PCBA con un conformal coating resistente agli idrocarburi.
Un ulteriore esempio riguarda il fosforo, in particolare nella sua formulazione di fosforo rosso impiegato nella plastica di un potenziometro. Sotto l’influsso di temperatura e umidità esso si libera e corrode le piste di argento del componente stesso. Se fosse stato scelto un potenziometro con le superfici di argento protette da un polimero, non ci sarebbero stati inconvenienti.
Del cloro viene impiegato per realizzare le bande colorate che indicano i valori delle resistenze MELF; migrando sotto il rivestimento causa lo spostamento dell’elemento resistivo sull’incisione laser, alterando il valore resistivo del componente. In questo caso si evidenzia l’importanza del qualificare i fornitori.
Il cloro è anche contenuto in diverse resine bicomponenti; normalmente inoffensivo, sotto l’azione di temperatura e umidità, da un sensore tessile incapsulato, viene rilasciato sul PCBA sottostante corrodendo le parti metalliche e provocando la crescita di dendriti conduttivi. È questo un esempio del perché qualificare un materiale per la propria applicazione.
Il cloro e lo zolfo si liberano facilmente in aria; se non si tiene sotto controllo l’ambiente di stoccaggio dei vari materiali, ci si potrebbe ritrovare con componenti già compromessi ancora prima di essere montati. È il caso di tastiere capacitive con piste di argento, soggette a corrosione anche se riposte all’interno di una scatola.
Particolare attenzione va posta agli ambienti di destinazione, che, con temperatura e umidità, combinate all’alimentazione del PCBA, possono creare delle crescite dendritiche da manuale.
Infine, attenzione ai residui di flussante “no clean” che possono incamerare umidità e causare migrazione dei materiali di saldatura e corti tra i piedini di un integrato che lavora nel settore del bianco, come una lavatrice.
Non si tratta di terrorismo tecnologico, ma di un atteggiamento nuovo che ripropone le tecniche classiche, ripensate per rilasciare in campo prodotti ben fatti ed affidabili.
Un consiglio sempre valido e attuale è di dedicare un piccolo budget e un’adeguata finestra temporale per mettere i prodotti elettronici al riparo dalle insidie che potrebbero incontrare in tutta la filiera, partendo dalle materie prime fino alla loro vita in campo.
