□ 許 晶 □ 王雅南 □ 魏慶山 □ 姚君韋

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1 分析背景

進(jìn)氣壓力溫度傳感器主要用于檢測(cè)汽車(chē)進(jìn)氣歧管內(nèi)的壓力與溫度。進(jìn)氣壓力溫度傳感器將電信號(hào)傳遞至汽車(chē)電子控制單元,汽車(chē)電子控制單元利用進(jìn)氣壓力溫度傳感器的輸出信號(hào),配合轉(zhuǎn)速信號(hào)確定進(jìn)氣的空氣密度、溫度與質(zhì)量,調(diào)節(jié)進(jìn)氣量,確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常點(diǎn)火。

隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展,電子元器件已成為汽車(chē)電子控制單元中不可或缺的一部分[1]。進(jìn)氣壓力溫度傳感器作為重要的電子元器件,在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用,質(zhì)量問(wèn)題需要引起重視。

進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片的針腳鍍層常使用錫鍍層和銀鍍層,芯片針腳錫鍍層產(chǎn)生的錫晶須使進(jìn)氣壓力溫度傳感器失效的現(xiàn)象層出不窮[2]。時(shí)至今日,芯片針腳錫鍍層產(chǎn)生錫晶須,在電子工業(yè)界仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

2 進(jìn)氣壓力溫度傳感器結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣壓力溫度傳感器內(nèi)部電路如圖1所示。進(jìn)氣壓力溫度傳感器包括電橋、熱敏電阻、針腳、外圍塑料件等結(jié)構(gòu),其中,電橋及熱敏電阻在進(jìn)氣壓力溫度傳感器中有至關(guān)重要的作用。

進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片由厚度為幾微米的硅芯片組成,檢測(cè)壓力通過(guò)惠斯頓電橋,由芯片上的電路進(jìn)行處理,形成線性電壓信號(hào)輸出。熱敏電阻為負(fù)溫度因數(shù)電阻,用于進(jìn)氣壓力溫度傳感器的測(cè)溫及對(duì)壓力值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。芯片上的針腳用于連接進(jìn)氣壓力溫度傳感器與芯片內(nèi)部電路。

▲圖1 進(jìn)氣壓力溫度傳感器內(nèi)部電路

3 故障分析

某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈亮,經(jīng)檢查確認(rèn)為進(jìn)氣壓力溫度傳感器故障導(dǎo)致。對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器內(nèi)部電路進(jìn)行分析,確認(rèn)在芯片2號(hào)針腳出現(xiàn)斷路或2號(hào)、3號(hào)針腳有短路,進(jìn)行具體排查。

(1) 通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元和線束端進(jìn)行排查[3],發(fā)現(xiàn)原車(chē)更換新進(jìn)氣壓力溫度傳感器后,故障消失。隨后再將故障件換回原位置,故障復(fù)現(xiàn),因此可確定此故障非電子控制單元和線束故障引起。

(2) 分別排查進(jìn)氣壓力溫度傳感器外觀、殼體底部、芯片接插件處,發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣壓力溫度傳感器外觀無(wú)破損、浸水、進(jìn)異物等情況。

(3) 對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片故障件的接插件端進(jìn)行全尺寸檢測(cè)[4],檢測(cè)結(jié)果符合圖紙要求,排除因芯片接插件尺寸問(wèn)題引起故障。

(4) 對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳進(jìn)行排查,發(fā)現(xiàn)無(wú)折彎、異常磨損等現(xiàn)象。

(5) 對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片內(nèi)部電路進(jìn)行焊接檢查。通過(guò)X光檢測(cè),進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳內(nèi)部無(wú)短路、斷線,熱敏電阻引腳無(wú)斷線、短路,熱敏電阻無(wú)熔化變形。

(6) 對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳距離進(jìn)行檢查。進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳根部絕緣物無(wú)包裹,相鄰針腳間距為0.8 mm,確認(rèn)相鄰的針腳間距過(guò)小,存在浸水、雜質(zhì)導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)。

(7) 對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳間電阻進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)1號(hào)、2號(hào)針腳,1號(hào)、4號(hào)針腳,3號(hào)、4號(hào)針腳間的電阻值均存在超差問(wèn)題。

顯微鏡下觀察錫晶須,如圖2所示。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),在進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片2號(hào)、3號(hào)針腳根部存在錫晶須,錫晶須生長(zhǎng)超過(guò)針腳之間的距離,導(dǎo)致短路,如圖3所示。剔除錫晶須后進(jìn)行復(fù)測(cè),進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳間電阻均在正常范圍內(nèi),確定為進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳根部生長(zhǎng)錫晶須,導(dǎo)致故障發(fā)生。

▲圖2 錫晶須顯微鏡圖像

經(jīng)過(guò)以上排查,為避免芯片針腳錫鍍層產(chǎn)生錫晶須而導(dǎo)致針腳間短路,要求進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片錫鍍層相鄰針腳之間的最小間距應(yīng)不小于2 mm。

針對(duì)此次故障,對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳根部進(jìn)行修模,用塑料包裹針腳根部裸露的金屬,減小針腳根部應(yīng)力,同時(shí)增大相鄰針腳之間的距離,由原來(lái)的0.8 mm增大到2.2 mm。

對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳生長(zhǎng)錫晶須問(wèn)題整改后,由錫晶須引起的短路問(wèn)題沒(méi)有再發(fā)生,整改效果良好。

▲圖3 錫晶須導(dǎo)致芯片針腳短路

4 錫晶須生長(zhǎng)機(jī)理

錫晶須的生長(zhǎng)主要從芯片針腳錫鍍層開(kāi)始,具有較長(zhǎng)的潛伏期。錫晶須的生長(zhǎng)受四方面因素影響。

(1) 基體材料。錫晶須的生長(zhǎng)程度因芯片針腳金屬材質(zhì)的差異而不同。

(2) 鍍層材料。目前僅發(fā)現(xiàn)芯片針腳錫鍍層會(huì)生長(zhǎng)錫晶須,金、銀鍍層不會(huì)生長(zhǎng)晶須。

(3) 應(yīng)力集中。一般而言,芯片針腳電鍍之后鍍層內(nèi)存在殘余應(yīng)力,通過(guò)觀察錫晶須的形狀,分析錫晶須的產(chǎn)生是殘余應(yīng)力擠壓的結(jié)果。

(4) 環(huán)境溫度、濕度、氧化等外在環(huán)境均能影響錫晶須的生長(zhǎng)速率。

錫晶須的生長(zhǎng)形態(tài)如圖4所示。在靜電或氣流的情況下,錫晶須可能變形彎曲。如果錫晶須生長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度,會(huì)導(dǎo)致芯片針腳之間短暫或永久性短路,從而引發(fā)故障或嚴(yán)重事故。

5 抑制方法探索

由于電子元器件的使用條件和環(huán)境不同,到目前為止還未發(fā)現(xiàn)可以完全抑制芯片針腳錫鍍層錫晶須生長(zhǎng)的方法。

綜合已有研究,當(dāng)前可以嘗試以下幾種方法。

(1) 錫合金化。用新型錫合金鍍層來(lái)替換現(xiàn)有的錫鍍層,抑制錫晶須的生長(zhǎng)。但筆者嘗試過(guò)很多種類(lèi)錫合金,目前尚未找到可以避免錫晶須生長(zhǎng)的錫合金材料[5]。

(2) 去應(yīng)力退火。根據(jù)芯片針腳錫鍍層內(nèi)部殘余應(yīng)力是影響錫晶須生長(zhǎng)的主要因素,有人試圖通過(guò)退火的方法來(lái)消除錫鍍層內(nèi)部殘余應(yīng)力[6],但是通過(guò)研究試驗(yàn),無(wú)法確定這一方法是否有效。

▲圖4 錫晶須生長(zhǎng)形態(tài)

(3) 電鍍層隔離。在芯片針腳上先預(yù)鍍一層其它金屬的鍍層,以阻止基體向錫鍍層擴(kuò)散,從而抑制錫晶須的生長(zhǎng)。但有文獻(xiàn)提到,這種方法制得的試樣在熱循環(huán)試驗(yàn)中更容易生長(zhǎng)錫晶須,所以還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

汽車(chē)電子控制單元使用的進(jìn)氣壓力溫度傳感器因芯片針腳根部錫鍍層生長(zhǎng)錫晶須,引起進(jìn)氣壓力溫度傳感器信號(hào)異常,出現(xiàn)短路故障。通過(guò)對(duì)進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳根部裸露部分的金屬用塑料包裹的方案,降低了錫晶須引發(fā)短路的風(fēng)險(xiǎn)。

目前,電子元器件在汽車(chē)電子控制單元中被廣泛應(yīng)用,而基于現(xiàn)有理論還不能有效抑制芯片針腳錫鍍層錫晶須的生長(zhǎng),因此需要進(jìn)一步開(kāi)展更為全面深入的研究。