高偉娜 張明華 隋淞印 王寧寧 李 瑩

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

文 摘 針對航天高可靠、長壽命電子產(chǎn)品用國產(chǎn)元器件，通過近年元器件國產(chǎn)化的應(yīng)用實(shí)踐，從電子裝聯(lián)的角度，對元器件國產(chǎn)化過程中的常見共性問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，并淺談了元器件國產(chǎn)化過程中這些問題對我們的啟示及后續(xù)應(yīng)注意的問題及相關(guān)建議。

0 引言

航天元器件是航天電子產(chǎn)品的重要組成部分，其裝聯(lián)的可靠性直接影響著航天電子產(chǎn)品的可靠性。隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，以美國為首的西方主要軍事大國對我國部分元器件的封鎖和禁運(yùn)不斷升級，迫使我國必須走自主發(fā)展的道路［1］；同時，隨著國產(chǎn)化替代及國產(chǎn)元器件質(zhì)量、性能的不斷提升和規(guī)格系列的不斷完善，從元器件質(zhì)量可控的角度，單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計也逐漸從采用進(jìn)口元器件轉(zhuǎn)移到采用國產(chǎn)元器件。但隨著被動與主動元器件國產(chǎn)化替代的實(shí)施，國產(chǎn)元器件在電子產(chǎn)品裝聯(lián)過程中逐漸暴露出一些共性問題，本文根據(jù)近年國產(chǎn)元器件裝聯(lián)的工程實(shí)踐，總結(jié)目前國產(chǎn)元器件裝聯(lián)所面臨的常見問題，針對問題淺談國產(chǎn)化元器件高可靠裝聯(lián)應(yīng)注意的事項并提出相關(guān)建議。

1 元器件設(shè)計裝聯(lián)工藝性不足

1.1 問題特征

元器件結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮（或不了解）后續(xù)應(yīng)用的需求，導(dǎo)致給后續(xù)裝聯(lián)應(yīng)用帶來不便或引起單機(jī)產(chǎn)品長期可靠性問題。

1.2 應(yīng)用問題

1.2.1 元器件引腳覆蓋防護(hù)漆

某TO 封裝三極管本體表面涂覆防護(hù)漆，靠近本體側(cè)長度約3～5 mm 內(nèi)的引腳表面也覆蓋一層防護(hù)漆，元器件引腳涂漆情況如圖1所示。按照板級裝聯(lián)要求，TO 封裝元器件安裝在PCB 上時，元器件本體應(yīng)距離PCB 表面0.75～3.2 mm 內(nèi)，此元器件的設(shè)計、工藝直接導(dǎo)致板級產(chǎn)品無法使用。

1.2.2 面板電連接器無印制板固定結(jié)構(gòu)

隨著電子產(chǎn)品小型化、高密度化，通過自身引腳直接焊接在印制板上的面板電連接器應(yīng)用越來越廣泛。但部分通過引腳直接焊接在印制板上的電連接器本體只設(shè)計了與結(jié)構(gòu)安裝的法蘭，沒有設(shè)計與印制板的固定結(jié)構(gòu)，如圖2所示。按照高可靠板級裝聯(lián)要求，對于需同時機(jī)械固定和焊接的元器件，應(yīng)先進(jìn)行機(jī)械固定，然后再進(jìn)行焊接。此電連接器由于沒有設(shè)計與印制板的固定結(jié)構(gòu)，為了避免先焊接后機(jī)械固定的問題，很多情況下需額外設(shè)計電連接器輔助加固的結(jié)構(gòu)零件，導(dǎo)致此類面板電連接器在后續(xù)應(yīng)用時單機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝繁瑣，增加產(chǎn)品成本。

1.2.3 印制板電連接器氣密性安裝

部分規(guī)格印制板電連接器在本體未設(shè)計結(jié)構(gòu)凸臺（或外圍一周整體為凸臺）或凸臺高度太小，導(dǎo)致電連接器安裝在印制板上后形成氣密性安裝，如圖3（a）所示。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計形式為后續(xù)焊接、清洗、多余物清理及檢驗帶來一系列困難。本體與印制板緊密接觸不利于焊接時焊料的順利流動，容易形成透錫不良的不合格焊點(diǎn)；同時后續(xù)清洗時不利于清洗劑的流動、多余物的清除，如果存在錫珠等金屬多余物，只能對電連接器進(jìn)行返修，如圖3（b）、3（c）所示采用不同工藝方法均無法清除電連接器本體與PCB 之間的錫珠。為了解決以上問題，單機(jī)設(shè)計一般再設(shè)計單獨(dú)的凸臺結(jié)構(gòu)零件，將印制板電連接器引腳焊接部位人為抬高；同時，在這種元器件結(jié)構(gòu)形式設(shè)計情況下，即使是2 排引腳印制板電連接器，為了檢查金屬多余物也需進(jìn)行X 光照相檢查，增加了板級產(chǎn)品生產(chǎn)的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本。

1.3 問題啟示

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品在設(shè)計時應(yīng)注重產(chǎn)品的設(shè)計工藝性。但對于元器件的設(shè)計，除注重元器件自身的設(shè)計工藝性外，還應(yīng)注意其裝聯(lián)的工藝性，如元器件結(jié)構(gòu)設(shè)計初期就應(yīng)考慮元器件后續(xù)裝聯(lián)安裝的可靠性問題、裝聯(lián)的工藝方法、使用禁忌等。這對元器件設(shè)計提出了更高的要求，但從元器件自身裝聯(lián)可靠性的角度，這種要求又是必須的。

2 元器件產(chǎn)品規(guī)范（說明書）不夠細(xì)化

2.1 問題特征

元器件產(chǎn)品規(guī)范中關(guān)于元器件裝聯(lián)的相關(guān)信息不細(xì)化、不全面，用戶得到的關(guān)于元器件裝聯(lián)應(yīng)用信息較少。

2.2 應(yīng)用問題

2.2.1 表貼玻封二極管焊后玻璃本體開裂

某國產(chǎn)化表貼玻封二極管，再流焊接后發(fā)現(xiàn)部分二極管本體內(nèi)部出現(xiàn)玻璃分層現(xiàn)象（圖4），玻璃外部未發(fā)生裂紋，此現(xiàn)象出現(xiàn)在同一批次產(chǎn)品的不同印制板上，排除受到機(jī)械外力的原因。經(jīng)問題復(fù)現(xiàn)，玻璃內(nèi)部分層與再流焊接過程受到的熱應(yīng)力有關(guān)。經(jīng)核對產(chǎn)品規(guī)范，廠家在規(guī)范中沒有關(guān)于再流焊接的相關(guān)信息、元器件沒有進(jìn)行過關(guān)于再流焊接相關(guān)溫度范圍的模擬試驗。裝聯(lián)注意事項的缺失會導(dǎo)致元器件在裝聯(lián)過程按照常規(guī)工藝實(shí)施，使用戶關(guān)于元器件使用的風(fēng)險點(diǎn)把控不到位，容易引入產(chǎn)品質(zhì)量隱患。

2.2.2 塑封器件本體開裂問題

某國產(chǎn)塑封表貼鉭電容，再流焊接后發(fā)現(xiàn)有30%左右的電容本體出現(xiàn)起泡、開裂現(xiàn)象，如圖5 所示。經(jīng)問題復(fù)現(xiàn)，由于元器件為塑封非密封結(jié)構(gòu)，在吸潮情況下，再流焊接的高溫導(dǎo)致吸收的水分氣化，使器件結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力增大而導(dǎo)致塑封料起泡、開裂。經(jīng)核對產(chǎn)品規(guī)范，廠家元器件規(guī)范沒有關(guān)于器件濕敏等級、再流焊接前需進(jìn)行預(yù)烘處理的相關(guān)說明。對于塑封濕敏元器件，板級裝聯(lián)通常進(jìn)行預(yù)烘除潮處理，如果廠家說明書沒有關(guān)于元器件包裝、儲存、預(yù)烘溫度、時間等的相關(guān)說明，容易給后端應(yīng)用帶來質(zhì)量隱患。

2.2.3 插裝電阻器質(zhì)量等級標(biāo)識不規(guī)范

某插裝電阻在安裝時發(fā)現(xiàn)本體上存在標(biāo)記點(diǎn)，且標(biāo)記點(diǎn)的位置不同，如圖6所示。經(jīng)核對產(chǎn)品規(guī)范，未查閱到相關(guān)信息。經(jīng)咨詢廠家，反饋元器件本體上的標(biāo)記為了區(qū)分生產(chǎn)線上不同質(zhì)量等級的產(chǎn)品，具體標(biāo)記位置沒有明確規(guī)定，標(biāo)記在任何一端均可，與電阻的阻值讀取順序、精度等無關(guān)。廠家很清楚質(zhì)量等級標(biāo)識的含義，但如果沒有相關(guān)說明或具體的規(guī)定，對于用戶來說就會帶來困擾，如產(chǎn)品AOI檢驗。

2.3 問題啟示

相比國外元器件的產(chǎn)品規(guī)范，國內(nèi)元器件的規(guī)范在裝聯(lián)方面的應(yīng)用信息相對較少較為普遍，尤其關(guān)于元器件的自身結(jié)構(gòu)、材料、工藝信息及其裝聯(lián)注意事項等信息更少。通過與元器件廠家交流，導(dǎo)致這種問題的主要原因之一是廠家不清楚或不完全清除元器件在單機(jī)端的裝聯(lián)工藝情況，針對電裝時元器件自身的薄弱環(huán)節(jié)分析或試驗驗證不充分，所以沒有進(jìn)行相關(guān)工作或進(jìn)行了部分工作沒有使問題得以暴露，產(chǎn)品規(guī)范中自然也就沒有相關(guān)指導(dǎo)信息；另一原因是往往更注重電性能，忽略裝聯(lián)指導(dǎo)。

3 元器件裝聯(lián)應(yīng)用驗證的充分性不足

3.1 問題特征

元器件已經(jīng)經(jīng)過應(yīng)用驗證、產(chǎn)品鑒定等程序，但在產(chǎn)品后續(xù)應(yīng)用中仍存在這樣那樣的問題，影響產(chǎn)品質(zhì)量，增加質(zhì)量控制成本。

3.2 應(yīng)用問題

3.2.1 壓接端子長度不足

某壓接型電連接器端子按照廠家產(chǎn)品使用手冊推薦的壓接工具、位置器壓接后發(fā)現(xiàn)觀察孔變形，如圖7所示。為了避免觀察孔變形，更改位置器型號壓接又導(dǎo)致端子出線端變形，如圖8所示。后經(jīng)廠家復(fù)查，廠家內(nèi)部產(chǎn)品例行試驗樣品在壓接后存在同樣的問題，結(jié)合多批次產(chǎn)品例行試驗驗證情況，廠家評估觀察孔變形不影響使用。但是按照電連接器壓接標(biāo)準(zhǔn)，端子壓接后觀察孔變形屬不合格品，給用戶對產(chǎn)品的使用帶來困惑。

3.2.2 元器件表面標(biāo)識脫落

玻璃作為元器件的常用封裝材料被廣泛應(yīng)用，但多種封裝結(jié)構(gòu)的玻璃封裝元器件本體標(biāo)識在電裝環(huán)節(jié)的水清洗后出現(xiàn)脫落、剝離的現(xiàn)象屢次發(fā)生，如圖9所示。經(jīng)核查部分產(chǎn)品的產(chǎn)品規(guī)范，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品耐溶劑試驗要求不規(guī)范，低于國軍標(biāo)的試驗要求。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，產(chǎn)品的標(biāo)識應(yīng)具有一定的耐溶劑性能，以便于元器件裝聯(lián)后能夠經(jīng)受清洗溶劑的腐蝕，保證電裝后檢驗、調(diào)試、產(chǎn)品可追溯性等環(huán)節(jié)的順利實(shí)施。由于元器件標(biāo)識的脫落，不得不在水清洗前增加照相環(huán)節(jié)記錄產(chǎn)品元器件極性的正確性，大大增加了產(chǎn)品質(zhì)量控制成本。

3.2.3 印制板電連接器焊接后插孔助焊劑殘留

在產(chǎn)品測試過程中出現(xiàn)印制板電連接器插孔端電接觸不良現(xiàn)象，接觸電阻從大于10 MΩ 到十幾歐姆跳動。經(jīng)復(fù)查，印制板電連接器插孔合件與插座基座之間、插孔合件自身均為非密封結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品焊接時，助焊劑會沿各縫隙延伸到插孔合件的表面，從而引起對插后的電接觸不良，如圖10所示。

對比國外產(chǎn)品，其主要區(qū)別為國外產(chǎn)品是一體式結(jié)構(gòu)，國內(nèi)產(chǎn)品為壓接型的非密封分體式結(jié)構(gòu)。而針對這種差別，在元器件結(jié)構(gòu)分析及后續(xù)的應(yīng)用驗證均沒有針對后續(xù)的裝聯(lián)情況采取針對性的分析及驗證。對于通孔焊接的印制板電連接器，在電裝過程中必然會應(yīng)用助焊劑，如果采用手工焊接，助焊劑的量更加難以精確控制；同時，如果印制板電連接器沒有結(jié)構(gòu)凸臺抬高設(shè)計，水清洗難度增加，多余物一但產(chǎn)生就難以清除，也是導(dǎo)致問題多次發(fā)生的一個重要原因。

3.3 問題啟示

即使通過應(yīng)用驗證的元器件，在產(chǎn)品使用過程中還會出現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用問題。這需要元器件廠家在元器件國產(chǎn)化過程中重點(diǎn)關(guān)注與國外元器件結(jié)構(gòu)、材料、工藝差異性所可能引起的新問題；需要元器件廠家與用戶多交流、溝通，及時了解產(chǎn)品的應(yīng)用情況；同時新應(yīng)用驗證的元器件應(yīng)針對元器件自身的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和后續(xù)板級裝聯(lián)應(yīng)用情況，總結(jié)以往經(jīng)驗教訓(xùn)，有針對性的增加或刪減應(yīng)用驗證項目。

4 元器件二次篩選問題

4.1 問題特征

元器件篩選項目不全面，導(dǎo)致問題遺留到生產(chǎn)階段；或國產(chǎn)化替代元器件與原進(jìn)口元器件外形尺寸存在差異、人為操作失誤等原因?qū)е略骷Y選過程本體受損。

4.2 應(yīng)用問題

4.2.1 需引線成形SOP封裝元器件尺寸缺陷

某需成形SOP 封裝器件本體外形尺寸缺陷導(dǎo)致器件成形后不合格。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)器件底面凸臺不對稱且歪斜（凸臺邊沿距離元器件邊緣最大的相差0.6 mm），如圖11 所示。底面凸臺不對稱且歪斜影響了元器件成形后尺寸，導(dǎo)致元器件成形后梁長不一致且最小長度不滿足要求。如元器件廠家、或二次篩選單位了解后續(xù)元器件引線成形的原理，對相關(guān)參數(shù)有針對性的篩選，就不會將看似合格的產(chǎn)品流轉(zhuǎn)到單機(jī)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

4.2.2 電連接器本體內(nèi)部金屬多余物

多規(guī)格底部引腳電連接器焊接后X 光照相發(fā)現(xiàn)金屬多余物，電連接器解焊后在焊接面未找到多余物，對電連接器本體X 光照相，發(fā)現(xiàn)電連接器塑封體內(nèi)部存在金屬多余物，如圖12所示。根據(jù)電裝要求，為了避免焊接后錫珠等金屬多余物引起短路，需對焊接后焊點(diǎn)不可見的底部引腳電連接器進(jìn)行X 光照相檢查。如元器件廠家、或二次篩選單位了解用戶應(yīng)用場景，針對元器件自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其裝聯(lián)特點(diǎn)進(jìn)行了風(fēng)險點(diǎn)識別并進(jìn)行過程管控，則會大大減少此類問題的發(fā)生。

4.2.3 BGA焊球表面損傷

某進(jìn)口BGA 元器件在電裝前發(fā)現(xiàn)焊球受損現(xiàn)象，如圖13 所示。經(jīng)復(fù)查為元器件二次篩選前就存在此問題。這種缺陷在電裝后會導(dǎo)致大量的焊點(diǎn)空洞，甚至影響焊點(diǎn)的長期可靠性。經(jīng)查詢文獻(xiàn)［2］，此問題多為產(chǎn)品老化工裝、測試工裝與元器件的引腳尺寸不匹配、老化或測試工裝超出使用壽命范圍等過程控制不規(guī)范所致。此問題雖不是國產(chǎn)器件的篩選問題，但也值得我們進(jìn)行舉一反三，對我們后續(xù)篩選有一定的警示作用。

4.3 問題啟示

元器件國產(chǎn)化替代過程中廠家會出現(xiàn)各種各樣的問題，二次篩選過程中應(yīng)積累經(jīng)驗，識別不同封裝器件的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地對篩選條件和篩選項目進(jìn)行調(diào)整，提高二次篩選的有效性和全面性。同時，元器件篩選應(yīng)加強(qiáng)過程控制，元器件國產(chǎn)化進(jìn)程中國產(chǎn)化元器件或多或少與進(jìn)口器件會存在一些差異，如尺寸公差等，這些細(xì)微的差別，如果不加重視有可能引起元器件的損傷。

5 結(jié)語

人們對任何新生事物的認(rèn)識都有一個循序漸進(jìn)的過程，即使通過應(yīng)用驗證的元器件，在產(chǎn)品使用過程中還會出現(xiàn)這樣或那樣的應(yīng)用問題也屬正常。航天高可靠、長壽命電子產(chǎn)品對國產(chǎn)元器件提出了更高的要求，這需要元器件廠家與用戶多交流、溝通，及時了解產(chǎn)品的應(yīng)用情況，及時對產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)、升級，及時完善產(chǎn)品規(guī)范；新應(yīng)用驗證的元器件應(yīng)針對用戶的應(yīng)用場景及元器件自身的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料和工藝特點(diǎn)，總結(jié)以往經(jīng)驗教訓(xùn)，完善應(yīng)用驗證要求，有針對性的增加或刪減應(yīng)用驗證項目，加強(qiáng)應(yīng)用驗證方案的有效性；元器件篩選單位在元器件二次篩選時應(yīng)識別不同封裝器件的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地對篩選條件和篩選項目進(jìn)行調(diào)整，提高二次篩選的有效性和全面性。同時，考慮不同層級產(chǎn)品（如元器件級和板級產(chǎn)品）的關(guān)注點(diǎn)不同，且其生產(chǎn)工藝存在較大差異，建議新規(guī)劃元器件在產(chǎn)品設(shè)計階段，除元器件設(shè)計師、工藝師參與外，還應(yīng)由板級裝聯(lián)領(lǐng)域的工藝專家參與，才能設(shè)計出具有良好綜合應(yīng)用能力的產(chǎn)品，避免后續(xù)元器件應(yīng)用的裝聯(lián)工藝性不足。