拨码开关在线使用可靠性研究

拨码开关（DIP 开关，拨动开关，超频开关、地址开关等），是一款用来操作控制的地址开关，采用的是0/1的二进制编码原理。是通过拨动开关柄使电路接通或断开，从而达到切换电路的目的。拨码开关常用的品种有单极双位、单极三位、双极双位以及双极三位等，一般用于低压电路，具有滑块动作灵活、性能稳定可靠的特点，用于数据处理、通信适用于小型家用电器、玩具及小型仪器仪表上。拨码开关是通过拨动手柄使电路接通或断开的器件。拨码开关具有多个通路，内部通过弹片与底座触点的接触或断开来实现开通功能。拨码开关内部触点镀层为镀金。拨码开关有很多款型号，按照脚位来区分有直插式（DIP）和贴片式（SMD）按照拨动方式来分有平拨跟侧拨之分，甲公司所用的拨码开关为平拨式拨码开关。每一个键对应的背面上、下各有两个引脚，拨至ON 一侧，对应下面两个引脚导通；反之则断开。各键之间是独立的，相互没有关联，多用于二进制编码。拨码开关作为需要手动操作的微型开关，在两态之间变换，再根据不同的位组成2 的N 次方的不同状态，实现不同的功能。

图1 拨码开关

1 失效原因及失效机理分析

甲公司在线使用该款贴片拨码开关时在经过1 次拨码后，拨码开关出现不导通情况，经过对大量故障样品进行全面失效分析与数据比对。对拨码开关失效总结存在以下3 个方面，拨码开关制作厂商制程过程中导致弹片变形引发的接触导通问题；安装使用过程中不正当的拨码动作造成器件受力异常引发的内部结构形变；拨码开关内部腔体异物，异物来源存在两个渠道，厂家制程清洁不到位残留的注塑件异物或者是使用端加工作业中的异物引入，加工过程中受温度影响材料受热产生的状态变化。经过数据分析，发现弹片变形是拨码开关的主要失效方式，占比45%，其次是不规范的拨码动作占19%，厂家清洁异物过程、异物问题分别占比18%。下面对几种失效模式进一步探究。

图2 拨码开关主要失效原因

1.1 故障现象1：拨码簧片变形

在线使用拨码开关进行拨码动作后未导通，器件厂家在对产品进行加工时，由于工艺粗糙，导致拨码开关内部簧片出现严重程度不一的形变情况，安装后由于簧片存在形变，与导通静触点接触出现未导通、导通不稳定。该问题较为隐蔽，在不进行破坏性手段下，通过X射线透视可比对各引脚水平位差异可分辨引脚是否存在变形情况。影响簧片产生形变因素不局限生产商的组装阶段，使用端不合理的拨码动作或使用错误的拨码工具同样会导致拨码开关内部动簧片产生形变，作业员工有时图方便，刚好趁手使用尖针镊子或者笔等工具进行拨码，由于此类器物形状差异大，作用到按键上的力的大小和方向难控制，容易导致拨码开关内部簧片出现人为形变，所以在对物料来料源头进行管控的同时，使用过程也需规范作业工具及拨码动作，对相关制程动作提供作业指导，并约束禁止违规作业。

图3 X射线透视图片

图4 不规范拨码操作的现象

1.2 故障现象2： 拨码过程加工异物、材质耐热问题

在对在线失效故障件进行分析过程中，发现部分拨码开关引脚及根部有液态胶物质附着，通过高强度紫外灯照射出现明显颜色反馈，解剖内部腔体发现引脚静触点上及簧片动触点上存在明显的胶状物质，通过红外线光谱仪测试，分析该类物质为胶状物质，器件生产厂家制程不涉及此类物质，经排查在线使用工序及各生产环节，初步认定刷三防胶工序作业异常，拨码开关本体非密封结构，引脚部位与腔体内部存在明显缝隙，拨码开关位置非刷胶区域，三防胶作业是人工作业，作业人员刷胶过程未控制好刷胶量以及刷胶区域，导致三防胶通过引脚缝隙涌入拨码开关腔体内部，通过流动及拨码动作粘附在两极接触触点，引发不导通情况。

图5 FTIR红外线光谱仪检测

该物质成分疑似是透明胶，检测分析图谱。

图6 FTIR分析

在对在线使用胶类异物排查过程中发现部分器件内部触点周边和簧片运动轨迹区域发现黑色液态胶状物质，颜色异于三防胶，推断是器件在进行在线组装焊接过程中材质受热，状态发生了变化，出现了塑壳高温熔融情况。查阅该款物料使用炉温要求（SMT 型）回流焊最高温度不超过250 ℃，同时焊接时间不应超过10 s，解剖部分失效品内部塑壳OFF 停针位置至拨码动作终点位置存在明显黑色胶状物质，部分故障品引脚静触点接触位置有明显的黑色胶状物质溶胶情况，初步分析为回流焊接时，塑壳材料经峰值温度受热状态发生变化，后续拨码动作将胶状物质推压至触点接触区域，引发导通问题。

通过对前后两个不同时间段库存制品进行外壳注塑件材料进行测试，发现材质无差异( 均为PA)，满足器件材质要求。测试设备：傅里叶红外光谱仪。

图7 黑色液态胶状物质

图8 炉温曲线测试数据

图10 异常批次塑壳材质测试谱图（测试设备：傅里叶红外光谱仪）

对在线使用该款物料的回流焊线体进行炉温曲线排查，发现部分双轨线体炉温温差存在差异，相差温度达5℃，同时炉温曲线依据PCB 板板厚设定温度参数，对具体焊盘情况没有进行细化测试，部分焊盘小的传热速率较快，实际温度与设定温度差异较大，同时在核实炉温曲线时，该物料在240 ℃ 以上存在时间达20 s，处于高温区时间过长，超过物料本身材质的要求极限。

1.3 故障现象3：厂家清洁不到位导致的异物残留

对部分在线失效故障品解剖后腔体内有明显的注塑件的异物，大部分材质与外壳材质一致，异物材质坚硬，拨码开关在进行拨码动作时，簧片受阻挡无法与引脚静触点接触到位，部分簧片针脚受异物影响进行拨码动作时产生形变。该注塑件异物体积相对较大，无法通过拨码开关外部结构进入，分析为厂家生产制作过程中，相关清洁工艺不到位，导致注塑件残留在器件腔体内。

图11 异物残留

小结：拨码开关的在线导通故障主要受3个因素影响：

1）供应商加工工艺异常或使用端不规范的操作方式引起的簧片形变。

2）使用端生产回流焊接炉温异常，刷三防胶胶工艺造成液体涌入器件腔体。

3）厂家清洁工艺异常内部异物引起的导通问题。

2 可靠性提升方案

1）将单导通引脚结构改为双导通引脚，在一个引脚产生形变异常同时另一个引脚能满足导通需求，提升器件可靠性，从结构角度提升导通稳定性，现目前基本已实现覆盖。

2）规范在线使用端作业规范要求，对于拨码动作及使用工具等相关要求纳入作业指导文件中，同时加强监督管控以及违规处罚，后阶段设置相关检验项目，避免异常品流入下道工序。

3）提升每款PCB 板的炉温精度，精确炉温测试，每班次至少落实班前、班中、班后3 次炉温曲线测试，同时需将双通道覆盖到位，避免因温度差引发焊接质量问题，同时拨码开关塑壳材质需尽可能提升耐热性能，推动材质选用升级替换，由于回流焊本身温度精度存在误差，焊接过程可能达到极限温度。加强员工培训，明确刷三防胶的作业范围，将刷胶问题点作为典型问题点制作作业看板，同时未经工艺验证可靠性后续流程也不允许对拨码开关上进行打胶工序，一经出现刷胶问题，立即隔离故障品，不允许将异常品流出。

针对不良品异物的处理，分为两个部分：①针对装配生产机台生产过程中的异物，②针对产品本身塑胶部件毛刺进入产品内部成为异物。经过这两项处理后，能有效预防产品内部有异物的不良。

4）器件碎屑异物问题点供应端改进预防措施：

a）自动化机台的改善（针对机台操作时所产生的异物、尘屑来源）：

①工程人员在原有的气道枪嘴基础上，再次沿着产品输送轨道添加气道枪嘴设施，增加对盖、底板气动清洁的次数，在盖底板密封超声前，保持始终有气体对盖底板做气动清洁。

②震动盘上打孔，增加机台自身震动时的清理碎屑功能，将碎屑震入异物收纳袋内，降低塑胶碎屑流入下一序；同时人员辅助清理碎屑工作，机台操作人员规定将持续性的对产线上各工站的清理及震动盘内碎屑、异物等进行清洁，注意清结时不允许使用风枪，要求必须使用吸尘器清结。

b）注塑零部件毛刺的处理（针对产品本身塑胶件异物的来源）：

注塑生产车间生产的零部件在包装前新增加两道工序：

①新增去毛刺机设备，主要是去除零部件表面的毛刺、毛边，为了进一步确保产品品质效果；

②待产品毛刺去除完毕后，再进行超音波清洗机清洗，目的为了更有效地清除零部件内部杂质、异物、尘屑；清洗后烘烤，烘烤干再进行包装。

3 结束语

通过对拨码开关在线失效现象的研究与总结，从器件生产商到在线使用端、从材料到作业工序排查相关影响因素，排查过程中找到了影响失效的相关原因，也发现异物管控、在线生产制造过程中等还存在很多不足。通过排查感悟，拨码开关虽然是一个简单的开关器件，但失效同样会带来严重的影响。涉及机械运动结构器件必须重视异物管控，涉及电子组装焊接必须重视材质耐热和生产炉温参数的匹配，以上研究内容希望能给电子组装从业者对于其他同类型电子元器件的失效原因排查提供一些思考。

参考文献：

[1] 张永亮,眭敏. 拨码开关触点腐蚀失效分析与预防[J].电子产品世界, 2021,28(7):72-75.

[2] 王波,李金生,杨硕.常闭式触发开关失效分析及预防措施[J].理化检验(物理分册), 2017(2):19-24.

[3] 谢国平.数显式弹簧试验机拨码开关故障的排除[J].航空计测技术, 1996(3):44-48.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年3月期）