黃益軍， 席赟杰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所， 江蘇 無(wú)錫 214072）

0 引言

某型號(hào)設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間供電使用后出現(xiàn)了陶封器件部分功能異常失效情況。 該器件應(yīng)用于某型號(hào)設(shè)備中， 是高速光電耦合器， 具有電壓轉(zhuǎn)換和脈沖數(shù)字信號(hào)隔離的功能， 并且被廣泛地應(yīng)用于軍工、 航天領(lǐng)域的電子產(chǎn)品中。

該器件為扁平封裝（FP： Flat Package） 的結(jié)構(gòu)，雙邊引線從陶瓷芯片載體底部?jī)蓚?cè)平直地伸出。

本文針對(duì)該型FP 封裝器件在使用過(guò)程中暴露的失效模式進(jìn)行了分析、 試驗(yàn)、 復(fù)現(xiàn)， 提出了兩種可以避免失效的工藝方法， 并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性， 對(duì)于避免失效模式重復(fù)發(fā)生具有重要的意義。

1 失效背景

某型號(hào)設(shè)備在濕熱環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行后出現(xiàn)設(shè)備報(bào)故， 分析發(fā)現(xiàn)一路通道無(wú)法正常發(fā)送數(shù)據(jù)， 發(fā)送的均為錯(cuò)誤幀； 該通道接收到的數(shù)據(jù)為全零。 經(jīng)故障排查， 定位為光電耦合器電路故障。

對(duì)問(wèn)題板卡進(jìn)行鏡檢， 發(fā)現(xiàn)兩只光耦引腳根部存在黃色膠狀物質(zhì)、 三防漆膜不完整和黃色膠狀物質(zhì)暴露在焊點(diǎn)外部等問(wèn)題。 使用萬(wàn)用表測(cè)量被黃色膠狀物包裹的引腳之間的阻抗， 其阻值為幾十歐姆， 正常主板引腳之間為開(kāi)路狀態(tài)。 將黃色膠狀物質(zhì)去除后， 輸出信號(hào)和接收信號(hào)正常， 故障現(xiàn)象消失， 故判斷該光電耦合器故障是由于其焊點(diǎn)外部的黃色膠狀物質(zhì)導(dǎo)致。

2 失效分析及措施

2.1 器件概況

光耦為單通道形式， 通道采用GaAlAs 紅外發(fā)光二極管與單片集成高速光探測(cè)相耦合。 其工作溫度范圍為： -55~+125 ℃， 外形尺寸為： 11.5 mm×5.2 mm×2.75 mm。 器件外形如圖1 所示。 該光耦是金屬陶瓷FP06 引線封裝結(jié)構(gòu)， 但與塑封FP 封裝不同， 其引腳并未從封裝本體側(cè)面引出折彎， 而是燒結(jié)于管殼底部的焊盤并從器件底部平直地伸出。 這類引線結(jié)構(gòu)的FP 封裝在國(guó)產(chǎn)化小型陶封器件中非常常見(jiàn)。

圖1 器件外形圖

2.2 電子裝聯(lián)生產(chǎn)過(guò)程

生產(chǎn)流程包括： 去金搪錫、 電子裝聯(lián)、 清洗、焊接后專驗(yàn)、 三防涂覆、 保護(hù)劑涂覆和點(diǎn)膠， 以及終檢。 生產(chǎn)流程如圖2 所示。

圖2 電子裝聯(lián)生產(chǎn)過(guò)程

2.2.1 去金搪錫

鍍金引線或焊端均應(yīng)進(jìn)行除金處理。 尤其是在高溫高濕的惡劣環(huán)境下， 如果有引線鍍金表面貼裝器件不進(jìn)行去金處理， 則會(huì)對(duì)產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性造成較大的影響。 為了保證搪錫結(jié)果的一致性，采用兩鍋法對(duì)該器件引線焊接部位進(jìn)行去金搪錫，待自然冷卻后再用浸有無(wú)水乙醇的脫脂棉擦洗搪錫部位。

2.2.2 焊接

該器件屬于FP 型表面貼裝器件， 使用再流焊工藝進(jìn)行焊接。 首先， 使用定制鋼網(wǎng)在印制板上印刷焊膏； 然后， 用機(jī)器將器件貼裝至對(duì)應(yīng)位置， 調(diào)整合適的再流焊工藝參數(shù)， 進(jìn)行再流焊生產(chǎn)。

2.2.3 清洗

焊接完成后， 對(duì)焊接部位100%進(jìn)行清洗。

2.2.4 專驗(yàn)

使用5 倍放大鏡對(duì)清洗后的板卡進(jìn)行檢查， 發(fā)現(xiàn)組件表面不存在殘留物。

2.2.5 三防漆涂覆

三防漆選用聚氨酯三防漆， 型號(hào)為TS01-3，為了保證涂覆質(zhì)量的一致性， 選用三防涂覆機(jī)自動(dòng)噴涂， 控制噴涂參數(shù)， 三防漆干膜的厚度為30~50 μm[1]。

2.2.6 保護(hù)劑涂覆

參照QJ 3258—2005 《航天電子電產(chǎn)品硅橡膠粘固及灌封技術(shù)要求》， 點(diǎn)刷GD414 硅橡膠前， 需要在三防漆表面涂覆一層DBSF6101， 刷涂厚度為15~20 μm。

2.2.7 點(diǎn)膠

根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況， 加固方式是使用硅橡膠進(jìn)行粘固。 按照工藝文件要求在規(guī)定的位置進(jìn)行點(diǎn)膠處理， 在溫度為20~35 ℃、 濕度大于40%的條件下固化24 h。

2.2.8 終檢

使用5 倍放大鏡對(duì)點(diǎn)膠后的板卡進(jìn)行檢查， 發(fā)現(xiàn)組件表面不存在殘留物。

2.3 失效機(jī)理分析

2.3.1 多余物的成分分析

如圖3 所示， 異常器件拆卸后發(fā)現(xiàn)焊料浸潤(rùn)到了引線根部， 同時(shí)還發(fā)現(xiàn)有黃色異物從器件引腳延伸至器件底部。

圖3 器件鏡檢圖

經(jīng)失效分析， 試驗(yàn)室判斷其黃色物質(zhì)中含有助焊劑成分。 再對(duì)黃色膠狀物進(jìn)行EDS 分析， 發(fā)現(xiàn)黃色異物的主要元素成分為碳和氧， 同時(shí)含有少量的錫、 鉛和硅等元素。 具體的元素含量如表1、 圖4所示。

表1 黃色膠狀物的成分表

圖4 黃色膠狀物的成分

助焊劑是焊膏中的重要組成部分， 在焊膏中一般體積占比為50%左右。 助焊劑在焊接過(guò)程中起到清除表面氧化、 傳遞熱量、 降低焊接面表面張力和防止二次氧化等作用[2]。 軍用模塊板卡電子裝聯(lián)所使用的助焊劑為中等活性松香助焊劑（RMA），主要成分為松香、 羥酸類活化劑和乙醇。 其中， 松香主要由松香酸（70%~85%） 和胡椒酸（10%~15%） 組成， 松香酸和胡椒酸均為有機(jī)酸。 采用該類助焊劑焊接產(chǎn)生的殘留物主要是聚合松香、 未參與反應(yīng)的活化劑、 松香酸鹽（高溫過(guò)程中松香與焊接面氧化層以及焊料間的反應(yīng)產(chǎn)物） 等。

產(chǎn)品所使用的三防漆為TS01-3， 屬于聚氨酯類三防漆。 TS01-3 上噴涂的保護(hù)劑DBSF6101 主要成分為乙烯基三特丁基過(guò)氧硅烷。

焊接所使用的錫膏除助焊劑外的金屬成分為錫鉛， 即Sn63Pb37。

助焊劑、 三防漆和三防保護(hù)劑是黃色膠狀物中碳、 氧元素的主要來(lái)源， 焊膏是黃色膠狀物中錫、 鉛元素的主要來(lái)源， 而硅元素主要來(lái)自于三防保護(hù)劑。

結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程和黃色膠狀物EDS 分析結(jié)果，可以判定黃色膠狀物為助焊劑、 三防漆和焊料的混合物。

2.3.2 多余物的形成原因

國(guó)產(chǎn)化陶瓷封裝FP 結(jié)構(gòu)的引線從器件底部平直地伸出， 器件底部距PCB 板表面距離為0.1 mm，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的助焊劑殘留因毛細(xì)作用延引腳擴(kuò)散至器件底部。 在清洗過(guò)程中， 溶液未能將助焊劑完全溶解， 僅將器件引腳表面及末端處助焊劑清除。 引腳根部及器件底部仍有助焊劑殘留。

助焊劑的殘留會(huì)導(dǎo)致三防漆在污染區(qū)域出現(xiàn)退潤(rùn)濕現(xiàn)象， 使得三防漆無(wú)法緊密地貼合在被涂覆面上， 導(dǎo)致漆膜有缺陷。 產(chǎn)品在使用過(guò)程中， 缺陷處的助焊劑殘留物會(huì)持續(xù)地吸取空氣中的水氣而膨脹， 引起漆膜分層； 漆膜分層又?jǐn)U大了三防漆的缺陷點(diǎn)， 進(jìn)而加快了缺陷處吸附水氣。 在高溫高濕的環(huán)境試驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間使用后， 助焊劑殘留物逐漸地變成黃色膠狀物， 并變大覆蓋到器件兩個(gè)引腳。

2.3.3 阻抗降低原因

助焊劑殘留物為固態(tài)， 此時(shí)其中的有機(jī)酸鹽處在非游離態(tài)， 這些離子是無(wú)法自由活動(dòng)的。 當(dāng)助焊劑殘留物在環(huán)境中吸潮形成水合物時(shí)， 其中部分離子變成游離態(tài)[3]。

出現(xiàn)失效的器件兩個(gè)引腳在正常工作時(shí)會(huì)有固定的電勢(shì)差。 處在游離態(tài)的離子在定向電勢(shì)差下，沿著電勢(shì)差方向形成電遷移。 在長(zhǎng)時(shí)間加電后， 游離態(tài)離子會(huì)逐漸地增加， 最終形成低阻通道， 造成阻抗異常。

2.3.4 失效機(jī)理綜述

器件功能失效的主要原因是國(guó)產(chǎn)化陶瓷封裝FP 結(jié)構(gòu)的引線從器件底部平直伸出， 器件底部與PCB 板縫隙較小， 器件焊接后清洗不干凈， 導(dǎo)致助焊劑殘留在器件底部。 其中， 助焊劑殘留較多的地方影響三防涂覆， 漆膜不完整。 在高溫高濕的環(huán)境下隨著時(shí)間的累積， 助焊劑殘留物吸潮后形成黃色膠狀物， 長(zhǎng)時(shí)間加電下黃色膠狀物內(nèi)的離子發(fā)生遷移， 形成低阻通路， 阻抗逐漸地降低直至失效。

2.4 故障復(fù)現(xiàn)

2.4.1 復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上節(jié)失效機(jī)理分析的正確性， 組織了異常的復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。 選用相同的封裝器件， 按2.2 節(jié)所述的生產(chǎn)工藝對(duì)試驗(yàn)器件進(jìn)行電裝、 三防。 生產(chǎn)完成后對(duì)樣品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)， 環(huán)境試驗(yàn)分為溫度循環(huán)試驗(yàn)和交變濕熱試驗(yàn)[4]， 以模擬產(chǎn)品在真實(shí)的使用環(huán)境下的工作狀態(tài)。 在溫循和交變濕熱試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)周期結(jié)束通過(guò)測(cè)試點(diǎn)對(duì)器件引腳間的阻抗進(jìn)行測(cè)試， 分別在溫度循環(huán)試驗(yàn)和交變濕熱試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行外觀目檢。

2.4.2 試驗(yàn)條件

a） 溫度循環(huán)試驗(yàn)

1） 溫度： -40~70 ℃；

2） 升降溫速率： 10 ℃/min；

3） 保溫時(shí)間： 試驗(yàn)上、 下限保溫時(shí)間以熱透、冷透為原則， 保溫時(shí)間為1 h；

4） 循環(huán)次數(shù)： 10 個(gè)周期循環(huán)， 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件如圖5 所示；

圖5 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件

5） 通電測(cè)試： 在升溫的起點(diǎn)通電， 在降溫的起點(diǎn)斷電。

b） 交變濕熱試驗(yàn)

交變濕熱試驗(yàn)為10 個(gè)周期， 一個(gè)周期為24 h， 分為4 個(gè)階段， 在第五個(gè)周期和第十個(gè)周期結(jié)束前， 溫度為30 ℃、 相對(duì)濕度為95%， 通電測(cè)試功能， 交變濕熱試驗(yàn)條件如圖6 所示。

圖6 交變濕熱試驗(yàn)條件

1） 第一階段： 調(diào)節(jié)濕熱箱內(nèi)溫度為+30 ℃、相對(duì)濕度為95%， 在2 h 內(nèi)， 將箱內(nèi)溫度從30 ℃升高到60 ℃；

2） 第二階段： 維持箱內(nèi)溫度為60 ℃、 相對(duì)濕度為95%， 持續(xù)6 h；

3） 第三階段： 在8 h 內(nèi)， 將箱內(nèi)溫度從60 ℃降至30 ℃， 保持相對(duì)濕度在95%；

4） 第四階段： 保持箱內(nèi)溫度為30 ℃、 相對(duì)濕度為95%， 持續(xù)8 h。

2.4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前的焊點(diǎn)外觀圖如圖7 所示， 試驗(yàn)后的焊點(diǎn)外觀圖如圖8 所示。 對(duì)比試驗(yàn)前后同一器件的同一側(cè)引腳的外觀發(fā)現(xiàn)： 器件焊點(diǎn)的外觀表面有明顯的變化， 試驗(yàn)后的焊點(diǎn)表面有很明顯的黃色膠狀物出現(xiàn)。

圖7 試驗(yàn)前的焊點(diǎn)外觀圖

圖8 試驗(yàn)后的焊點(diǎn)外觀圖

試驗(yàn)樣件引腳間的阻抗測(cè)試結(jié)果如表1 所示，對(duì)比出現(xiàn)黃色膠狀物的引腳試驗(yàn)前后阻抗結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)黃色膠狀物的引腳之間的阻抗下降趨勢(shì)較為明顯。

表1 試驗(yàn)前后的阻抗測(cè)試記錄

復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)中30%的樣品出現(xiàn)了與故障產(chǎn)品相同的失效現(xiàn)象。

由此， 雙邊引線從陶瓷芯片載體底部?jī)蓚?cè)平直伸出的FP 封裝結(jié)構(gòu)器件在正常再流焊焊接工藝中的重復(fù)性失效問(wèn)題得到復(fù)現(xiàn)。

2.5 改進(jìn)措施

為了解決該問(wèn)題， 根據(jù)失效機(jī)理分析， 提出以下兩種解決方案。

a） 控制引線焊接的焊點(diǎn)長(zhǎng)度

首先， 在去金搪錫時(shí)， 要求控制搪錫部位， 不得觸碰本體， 搪錫區(qū)域距離本體1 mm， 通過(guò)焊盤設(shè)計(jì)和鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)， 使焊接完的引腳焊點(diǎn)處焊錫不接觸器件本體， 距離引腳根部0.5 mm 以上， 防止焊劑擴(kuò)散至器件底部， 如圖9 所示。

圖9 控制引線焊接的焊點(diǎn)長(zhǎng)度示意圖

b） 引腳成型抬高器件本體

該類器件結(jié)構(gòu)的典型特征是引線從陶瓷芯片載體底部?jī)蓚?cè)平直地伸出， 為了抬高器件本體， 需要定制專用工裝， 將引線伸出殼體部分打彎成型[5]。器件抬高的高度控制在0.5~1 mm， 這樣一來(lái)， 清洗溶劑便可以輕易地進(jìn)入器件底部清除助焊劑等多余物。 同時(shí)， 通過(guò)顯微鏡可以方便地看出底部有無(wú)異物殘留， 如圖10 所示。

圖10 引腳成型抬高器件本體示意圖

2.6 措施的有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性， 按照上述兩個(gè)改進(jìn)方案進(jìn)行了有效試驗(yàn)驗(yàn)證工作。 兩種方案各制作10 個(gè)樣本進(jìn)行驗(yàn)證， 試驗(yàn)流程同2.4.2 節(jié)。 改善后試驗(yàn)前后的外觀圖如圖11-12 所示， 驗(yàn)證結(jié)果為：20 個(gè)樣本的環(huán)境試驗(yàn)前后焊點(diǎn)表面的外觀均無(wú)異常， 沒(méi)有黃色多余物出現(xiàn)； 同樣阻抗測(cè)試均為斷路， 無(wú)阻抗下降現(xiàn)象。 兩個(gè)改進(jìn)方案的有效性得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖11 控制引線焊接前后對(duì)照?qǐng)D

圖12 引腳成型抬高器件前后對(duì)照?qǐng)D

2.7 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 雙邊引線從陶瓷芯片載體底部?jī)蓚?cè)平直伸出的FP 封裝結(jié)構(gòu)器件， 因其結(jié)構(gòu)原因， 器件離板高度較低， 以常規(guī)SMT 焊接工藝進(jìn)行焊接， 助焊劑會(huì)流到器件底部； 受清洗工藝的局限性影響， 助焊劑殘留在器件底部； 在高溫高濕的環(huán)境下， 助焊劑析出與三防漆形成黃色膠狀物，吸收空氣中的水分， 為黃色膠狀物中的離子提供自由活動(dòng)的載體， 長(zhǎng)時(shí)間加電后發(fā)生離子遷移， 形成低阻通道， 進(jìn)而導(dǎo)致阻抗異常， 觸發(fā)故障現(xiàn)象。 試驗(yàn)結(jié)果與原因分析一致。 通過(guò)改善器件引線的成型方式和優(yōu)化器件版圖設(shè)計(jì)、 焊接工藝這兩種改進(jìn)措施對(duì)器件處理后， 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)前后器件引線焊接表面形貌無(wú)變化， 試驗(yàn)結(jié)果同理論分析一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某型設(shè)備報(bào)故的現(xiàn)象進(jìn)行了分析， 找到了故障的原因， 對(duì)故障進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)， 提出了改進(jìn)措施， 并對(duì)改進(jìn)措施的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。 同時(shí)， 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)， 對(duì)于雙邊引線從陶瓷芯片載體底部?jī)蓚?cè)平直伸出的FP 封裝結(jié)構(gòu)器件而言， 由于器件本身結(jié)構(gòu)問(wèn)題， 使用常規(guī)的SMT 生產(chǎn)工藝， 會(huì)出現(xiàn)助焊劑殘留在器件底部無(wú)法清洗干凈， 在使用中會(huì)析出形成一個(gè)類似低阻通道的載體，出現(xiàn)功能故障的問(wèn)題， 對(duì)此可根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)采取改善器件引線的成型方式和優(yōu)化器件版圖設(shè)計(jì)、 焊接工藝這兩種改進(jìn)措施進(jìn)行解決。