TDICCD相機(jī)成像系統(tǒng)片式電阻失效分析

曲利新

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引 言

空間電子設(shè)備由于工作環(huán)境惡劣、不具備在軌維修條件，對產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的要求高。為提高產(chǎn)品的可靠性，根據(jù)電子產(chǎn)品失效機(jī)理，在研制、生產(chǎn)階段，對電子產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行篩選，將其內(nèi)部的潛在缺陷加速變成故障，就必須進(jìn)行一系列的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)［1－2］，以便檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，提前發(fā)現(xiàn)并剔除有缺陷和損傷的元器件。對有缺陷的元器件要進(jìn)行失效分析，失效分析通常是指對失效產(chǎn)品為尋找失效原因和預(yù)防措施所進(jìn)行的一切技術(shù)活動，它的任務(wù)是既要揭示產(chǎn)品功能失效的模式和原因，弄清失效機(jī)理和規(guī)律，又要找出糾正和預(yù)防的措施［3－5］。

2 故障模式及影響分析

某型號TDICCD相機(jī)成像系統(tǒng)電路調(diào)試正常后進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，在第6個循環(huán)測試時，成像系統(tǒng)在高溫段運(yùn)行正常，但在低溫（－45℃）時設(shè)備運(yùn)行不正常，出現(xiàn)不斷復(fù)位的現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)問題后立即停止試驗(yàn)，對該問題進(jìn)行分析［6－7］。

在分析排查問題過程中，TDICCD相機(jī)成像系統(tǒng)工作情況逐漸惡化。最初設(shè)備在低溫－45℃下運(yùn)行不正常，后來設(shè)備在－40℃下運(yùn)行亦不正常，最后設(shè)備在常溫下也不能正常工作。在常溫下用仿真器對設(shè)備進(jìn)行排故時，發(fā)現(xiàn)地址線不正常，經(jīng)測試確認(rèn)CPU地址線A＜7＞不正常。見圖1。

圖1 CPU地址管腳A＜7＞至3DSR地址管腳A＜5＞電路Fig.1 Schematic of CPU address pin A＜7＞ to 3DSR address pin A＜5＞

經(jīng)測試確認(rèn)CPU地址線A＜7＞不正常，對CPU地址線A＜7＞路徑進(jìn)行進(jìn)一步分析，建立相機(jī)成像系統(tǒng)問題分析故障樹1，如圖2所示。

圖2 相機(jī)成像系統(tǒng)問題分析故障樹1Fig.2 Failure tree 1of camera imaging system

對產(chǎn)生故障的頂事件E1的所有可能性進(jìn)行仔細(xì)分析和排查：

（1）底事件X1分析

在6倍放大鏡下仔細(xì)觀察PCB印制板導(dǎo)線，印制板導(dǎo)線均完好，未發(fā)現(xiàn)異常；再使用萬用表對相應(yīng)PCB印制板導(dǎo)線進(jìn)行測量，導(dǎo)通正常，底事件X1印制板導(dǎo)線失效排除。

（2）底事件X2分析

使用萬用表對CPU管腳A＜7＞和3DSR管腳A＜5＞間的電阻進(jìn)行測量，其阻值為1.5 MΩ。而設(shè)計(jì)值為43Ω。因此底事件X2地址線電阻R27失效不能被排除，疑為故障點(diǎn)。

（3）底事件X3分析

使用6倍放大鏡對CPU管腳A＜7＞進(jìn)行目測，未發(fā)現(xiàn)虛焊或短路；使用萬用表對CPU的管腳A＜7＞同其周圍管腳和信號地進(jìn)行測量，未發(fā)現(xiàn)短路。底事件X3管腳虛焊排除。

（4）底事件X4分析

使用放大鏡對3DSR管腳A＜5＞進(jìn)行目測，未發(fā)現(xiàn)虛焊或短路；使用萬用表對3DSR的管腳A＜5＞同其周圍管腳和信號地進(jìn)行測量，未發(fā)現(xiàn)短路。底事件X4管腳虛焊排除。

用電烙鐵將地址線電阻R27（43Ω）解焊，再用萬用表在試驗(yàn)臺對其進(jìn)行測試，該片式電阻阻值大于20MΩ，呈現(xiàn)為斷路狀態(tài)。故此判定為此電阻失效。

為進(jìn)一步驗(yàn)證此判斷，設(shè)計(jì)師由元器件庫房出庫1只二次篩選檢驗(yàn)合格的同型號、同生產(chǎn)廠家的43Ω片式電阻，電裝人員將其焊接到R27位置上并清潔干凈后，設(shè)計(jì)師用萬用表進(jìn)行靜態(tài)測試，其阻值為43Ω，呈現(xiàn)為正常狀態(tài)；通電測試系統(tǒng)正常。

3 失效模式及影響分析

3.1 失效分析

失效分析是通過對失效器件進(jìn)行各種測試和物理、化學(xué)、金相試驗(yàn)，確定器件失效的形式（失效模式），分析造成器件失效的物理和化學(xué)過程（失效機(jī)理），尋找器件失效的原因，制訂糾正和改進(jìn)措施［8－9］。

DPA（Destructive Physical Analysis，破壞性物理分析），就是失效分析的一種重要方法，其目的是利用物理和化學(xué)的方法和手段來確定產(chǎn)品批次是否存在沒有顯露出來的設(shè)計(jì)、材料和加工缺陷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)明顯的重大缺陷時，通常表明制造商在生產(chǎn)過程中失控，該批次需要更換［10］。

SEM（Scanning Electron Microscopy，掃描電子顯微鏡）是DPA的一種儀器，能將光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)擴(kuò)展到幾萬倍。當(dāng)失效分析時，具有優(yōu)良的異常點(diǎn)放大能力。

為揭示片式電阻失效的模式和原因，弄清失效機(jī)理和規(guī)律，找出糾正和預(yù)防的措施，將該片式電阻R27（43Ω）和同廠家同批次的未使用43Ω電阻200只送北京元器件可靠性中心進(jìn)行失效分析。

可靠性中心首先對失效片式電阻進(jìn)行外部目檢，即用10放大鏡對電阻進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)異常；其次用萬用表進(jìn)行阻值測量，儀表顯示為開路狀態(tài)；第三采用SEM對片式電阻進(jìn)行仔細(xì)檢查，尤其對兩個端電極的連接狀態(tài)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)該電阻器正面的端電極局部脫落，見圖3。

對同批次未使用的200只片式電阻開展了如下工作：

（1）外觀檢查：用10放大鏡檢查，未見異常；

（2）常溫初測，阻值滿足要求；

（3）高溫貯存＋125℃，96h；

（4）溫度沖擊－55℃～＋125℃，5次；

（5）常溫終測，阻值滿足要求，未見異常；

（6）外觀檢查，未見異常；

（7）用掃描電子顯微鏡（SEM）隨機(jī)抽取檢查10只，片式電阻端電極均正常。

所以，可靠性中心通過試驗(yàn)和分析得出如下結(jié)論：

（1）失效電阻器表面未見異常；

（2）電測表明該失效電阻器開路；

（3）該失效電阻器開路是由于電阻器正面的端電極局部脫落所致；

（4）使用過程中的異常外力造成失效電阻器端電極局部脫落。

（5）同批次未使用的200只片式電阻通過試驗(yàn)驗(yàn)證，抽檢10只進(jìn)行SEM分析，確定同批次片式電阻并無類問題，因此排除了該電阻失效為生產(chǎn)廠家批次性缺陷的可能性。

圖3 失效電阻照片F(xiàn)ig.3 Photo of failure resistor

3.2 故障定位

根據(jù)元器件可靠性中心分析，對片式電阻可能受異常外力環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步分析排查，建立電阻失效問題分析故障樹2，如圖4所示。對產(chǎn)生頂事件E2的所有可能性進(jìn)行仔細(xì)分析和排查：

（1）底事件X1分析

相機(jī)成像系統(tǒng)研制過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)是采用專用轉(zhuǎn)運(yùn)箱專人轉(zhuǎn)運(yùn)的［11］，在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中未發(fā)生設(shè)備（單板）磕碰現(xiàn)象，因此底事件X1被排除。

（2）底事件X2分析

該片式電阻為CPU管腳A＜7＞同3DSR管腳A＜5＞間的電阻，在其失效前未采用萬用表或示波器等儀器測試過，不存在萬用表或示波器等儀器的表筆對該電阻的外力作用。由失效分析報(bào)告分析圖片可以看出，端電極處并未有戳的痕跡。在調(diào)試測試過程中，調(diào)試測試人員雙人雙崗，未發(fā)生過磕碰現(xiàn)象。因此底事件X2被排除。

（3）底事件X3分析

該片式電阻失效是在設(shè)備進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)的，之前設(shè)備還經(jīng)過力學(xué)試驗(yàn)和5個循環(huán)的高低溫試驗(yàn)。該電阻在試驗(yàn)過程中所受的力為正常的試驗(yàn)外力，并不屬于異常外力。電阻若在試驗(yàn)之前未受到其他異常外力，在試驗(yàn)過程中是不會造成損壞的。因此電阻失效是由于在試驗(yàn)前受到異常外力作用，在試驗(yàn)過程中受到振動及高低溫交變的試驗(yàn)外力使情況惡化而表現(xiàn)出斷路失效。底事件X3可排除。

（4）焊裝過程E3底事件X4分析

相機(jī)成像電路的片式電阻均采用SMT熱風(fēng)回流焊焊裝，焊裝工藝經(jīng)過一系列工藝鑒定試驗(yàn)，形成相應(yīng)的工藝規(guī)范。片式電阻焊壞的原因多是由于電阻局部溫度過高，時間過長導(dǎo)致。SMT焊接工藝自動生產(chǎn)程度高，焊點(diǎn)合格率高，焊出的產(chǎn)品一致性好，控溫精度高（±2℃），并且同批次其它元器件都未出現(xiàn)問題。因此SMT焊裝不可能將導(dǎo)致該電阻損壞。底事件X4可排除。

圖4 片式電阻失效問題分析故障樹2Fig.4 Failure tree 2of fault problem analysis of chip resistor

（5）焊裝過程E3底事件X5分析

經(jīng)查檢驗(yàn)記錄，該電阻經(jīng)SMT焊裝完成后由于器件在焊盤上有旋轉(zhuǎn)偏差而由電裝操作人員返修過。電裝操作人員在返修過程中如未掌握好加熱時間，加熱時間過長，則有可能導(dǎo)致表貼電阻端電極在焊接過程中受到外力而損壞。因此底事件X5不能排除。

通過逐一排查最終認(rèn)定，R27（43Ω）片式電阻在SMT焊裝完成后，由于歪斜，電裝操作人員對其進(jìn)行手工解焊，并再次焊接。焊接時電阻兩端的電極不是同時完成焊接的，一端電極焊接時間過長，出現(xiàn)局部過熱情況，由于操作不當(dāng)導(dǎo)致表貼片式電阻端電極受到異常外力損傷，在調(diào)試和溫度循環(huán)試驗(yàn)中逐漸失效開路，最終導(dǎo)致相機(jī)成像系統(tǒng)工作不正常。

該故障定位準(zhǔn)確，機(jī)理清楚，更換此片式電阻后，經(jīng)力學(xué)振動試驗(yàn)［12］和10個溫度循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證，相機(jī)成像系統(tǒng)工作正常。

4 結(jié) 論

通過對某型號TDICCD相機(jī)成像系統(tǒng)在溫度循環(huán)試驗(yàn)中的故障分析和測試，確認(rèn)故障部位是R27（43Ω）片式電阻；通過對該電阻的失效分析，確認(rèn)是使用過程中的異常外力造成電阻器端電極局部脫落；異常外力的來源是電裝操作人員在返修過程中焊接時間過長，熱應(yīng)力導(dǎo)致電阻器端電極局部脫落。返修印刷電路板，更換有缺陷的元件時，可能會加劇自身和相鄰元件遭受附加熱量和熱應(yīng)力，并可能導(dǎo)致內(nèi)部裂紋擴(kuò)展或更大面積的分層，嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致開路、增加接觸電阻和發(fā)生金屬線斷開。所以必須嚴(yán)格控制焊接操作時間不大于2s。

［1］GJB4027A－2006軍用電子元器件破壞性物理分析方法［S］.GJB4027A－2006Methods of Destructive Physical Analysis for Military Electronic Components［S］.（in Chinese）

［2］GJB 1032－1990電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法［S］.GJB 1032－1990Environmental Stress Screening Process for Electronic Products［S］.（in Chinese）

［3］夏虹，鄭鵬洲.電子元器件失效分析及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.Xia H，Zheng P Z.Failure Analysis and Application for Electronic Components ［M］.Beijing：National Defence Industry Press，1998.（in Chinese）

［4］黃嬌英.軍用電磁繼電器失效分析研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（10）：131－135.Huang J Y.Failure analysis of electromagnetic relay used in military engineeing［J］.Modern Electronics Technique，2013，36（10）：131－135.（in Chinese）

［5］劉銀鈴.環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)故障排除方案探討［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2012，30（8）：6－8.Liu Y L.Troubleshooting solution in environmental stress screening［J］.Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2012，30（8）：6－8.（in Chinese）

［6］李興鴻.集成電路開短路失效原因探討［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2012，30（12）：20－22.Li X H.Failure cause research on IC open and short circuit［J］.Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2012，30（12）：20－22.（in Chinese）

［7］范紅梅.宇航元器件熱環(huán)境適應(yīng)性評價技術(shù)研究［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2012，30（6）：6－10.Fan H M.Evaluation of thermal environmental adaptability of space－borne components ［J］.Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2012，30（6）：6－10.（in Chinese）

［8］周海京，遇今.故障模式、影響及危害性分析與故障樹分析［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2003.Zhou H J，Yu J.Failure Mode Effects and Criticality Analysis and Failure Tree Analysis ［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2003.（in Chinese）

［9］GJB／Z 1391－2006故障模式、影響及危害性分析指南［S］.GJB／Z 1391－2006Failure mode effects and criticality analysis guide.［S］.（in Chinese）

［10］盛念.軍用塑封器件失效機(jī)理研究和試驗(yàn)流程［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2012，30（4）：6－10.Sheng N.Failure mechanism research and test procedure for military plastic encapsulated microcircuit［J］.Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2012，30（4）：6－10.（in Chinese）

［11］薛旭成，石俊霞，呂恒毅，等.空間遙感相機(jī)TDICCD積分級數(shù)和增益的優(yōu)化設(shè)置［J］.光學(xué) 精密工程，2011，19（4）：857－863.Xue X C，Shi J X，Lv H Y，et al.Optimal set of TDICCD integration stages and gains of space remote sensing cameras［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19（4）：857－863.（in Chinese）

［12］薛旭成，傅瑤，韓誠山.TDICCD相機(jī)的衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度確定［J］.中國光學(xué)，2013，6（5）：767－771.Xue X C，F(xiàn)u Y，Han C S.Confirmation of satellite attitude stabilization for TDICCD camera［J］.Chinese Optics，2013，6（5）：767－771.（in Chinese）