二極管焊接加固工藝改進(jìn)方法研究

花文波　王旭東　楊彪

摘 要：為研究接口模塊復(fù)位異常導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動(dòng)故障，通過復(fù)位機(jī)理分析，建立復(fù)位二極管斷裂故障樹，分析故障原因并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)和故障復(fù)現(xiàn)。結(jié)果表明：玻殼二極管電裝過程中的點(diǎn)紅膠工藝，在高低溫交替過程中，因玻殼和紅膠膨脹系數(shù)差異較大，紅膠會(huì)對(duì)玻殼產(chǎn)生溫度應(yīng)力，最終導(dǎo)致玻殼斷裂。改進(jìn)的電裝去紅膠工藝，經(jīng)多次高低溫循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)措施有效。

關(guān)鍵詞：復(fù)位;FPGA;工藝改進(jìn);故障樹;異常

中圖分類號(hào)：TP302文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 緒論

接口模塊用于完成數(shù)據(jù)的采集、處理和計(jì)算等，是一種多應(yīng)用模式、多種操作系統(tǒng)并存的統(tǒng)型模塊[1-2]。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和功能要求、質(zhì)量屬性等，每類操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前特定需求、采用不同軟件架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[3]。隨著操作系統(tǒng)種類多、規(guī)模大、軟件重載，產(chǎn)品復(fù)位在系統(tǒng)中作用越來越大。

復(fù)位就是系統(tǒng)初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，穩(wěn)定后撤銷;或異常時(shí)使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作[4-5]。

接口模塊在應(yīng)用過程中因復(fù)位異常產(chǎn)生無法啟動(dòng)故障，建立失效器件故障樹，對(duì)故障樹各個(gè)分支進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方法，試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)措施有效，對(duì)提高航空接口模塊產(chǎn)品可靠性，降低地面系統(tǒng)聯(lián)試故障率、減少飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)報(bào)故有重大意義。

2 接口模塊復(fù)位機(jī)理

接口模塊復(fù)位電路如圖1所示，復(fù)位芯片的前端輸入信號(hào)由FPGA和模塊硬件復(fù)位信號(hào)的“與電路”提供，硬件復(fù)位經(jīng)復(fù)位芯片輸出得到上電復(fù)位信號(hào)，輸出至FPGA，經(jīng)邏輯控制輸出至CPU以及其他芯片。

接口模塊加電工作時(shí)，產(chǎn)品無法正常啟動(dòng)，通過測(cè)量，發(fā)現(xiàn)FPGA在邏輯加載之后，二極管DONE信號(hào)先高后低再高，低電平持續(xù)200ms，說明FPGA加載完成后發(fā)出的復(fù)位信號(hào)正常，測(cè)量模塊硬件復(fù)位信號(hào)為3.3V常高，說明無復(fù)位信號(hào)輸入，F(xiàn)PGA復(fù)位對(duì)應(yīng)的二極管故障，導(dǎo)致內(nèi)部復(fù)位信號(hào)無法傳輸，放大鏡下觀察二極管焊接情況，發(fā)現(xiàn)二極管表面有明顯裂紋。

3 二極管斷裂故障樹

故障樹在分析系統(tǒng)故障模式、查薄弱環(huán)節(jié)、指導(dǎo)故障維修等工作具有重要的參考價(jià)值[6]。自上而下尋找直接和間接原因，并進(jìn)行分析計(jì)算。體現(xiàn)了研究問題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性[7]。可能導(dǎo)致二極管斷裂的故障樹如圖2所示。

4 二極管故障分析

4.1 元器件缺陷

二極管送失效分析，分析結(jié)果：器件電特性正常。因此排除電應(yīng)力影響，分析結(jié)論：在使用中引入異常機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致玻封體局部產(chǎn)生裂紋，在后續(xù)環(huán)境應(yīng)力作用下，二極管玻封體斷裂開路而失效。

經(jīng)廠家清查，該型號(hào)表貼二極管產(chǎn)品年供貨約20萬只。2014年1月起至今，其他使用單位未反饋二極管斷裂故障。廠家對(duì)器件的生產(chǎn)過程進(jìn)行清查，清查結(jié)果：在人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等環(huán)節(jié)均合格。

4.2 設(shè)計(jì)缺陷

二極管焊接位置周邊空余區(qū)域較大，并不與其他器件產(chǎn)生干涉。模擬功能振動(dòng)，通過建模與仿真，二極管中心振動(dòng)應(yīng)力最大為2.1MPa。二極管采用玻璃材料封裝，抗拉極限為40MPa，最小安全系數(shù)19，滿足功能振動(dòng)環(huán)境要求。通過以上分析和仿真，排除設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致二極管受外部機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生斷裂。

4.3 運(yùn)輸過程缺陷

產(chǎn)品入所后，所內(nèi)對(duì)二極管按照《電子元器件入所復(fù)檢規(guī)范》進(jìn)行入所復(fù)檢，對(duì)同批大于10支的數(shù)量抽取10支進(jìn)行外觀檢查，檢查采用目視或根據(jù)需要使用放大鏡觀察，包括引線、封裝體，檢查損傷、變形、裂縫、剝層、溝痕和空洞等缺陷。該型號(hào)二極管自使用以來在入所復(fù)檢中未發(fā)生外觀不合格情況。排除運(yùn)輸過程造成器件缺陷。

4.4 篩選過程缺陷

所內(nèi)二次篩選按照《電子元器件二次篩選規(guī)范》進(jìn)行，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：外觀初查、常溫初測(cè)、溫度循環(huán)、常溫中測(cè)、高溫反偏老煉、功率老煉、老煉后測(cè)試、外觀復(fù)查。通過清查二篩過程各項(xiàng)試驗(yàn)條件及操作規(guī)程等，未發(fā)現(xiàn)有可能對(duì)二極管產(chǎn)生損傷的隱患，因此排除篩選過程造成缺陷。

4.5 焊接缺陷

可能影響二極管器件斷裂的因素包括人員、焊接工藝、焊接工具、焊接材料、人員操作、環(huán)境五方面因素。

人員情況，通過對(duì)焊接工序人員核查，人員均持持證上崗，未發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作現(xiàn)象。

焊接工藝文件齊全，為現(xiàn)行有效工藝文件，同期產(chǎn)品電裝均采用回流焊接工藝，由于2016年前的回流焊接熱風(fēng)不可精細(xì)控制，圓柱形器件在焊接后易產(chǎn)生偏移、掉器件等問題，按照焊接規(guī)范要求，二極管焊接時(shí)需通過紅色貼片膠固定后再進(jìn)行回流焊接。該點(diǎn)膠工藝屬于電裝基礎(chǔ)工藝，可提高焊接可靠性，該工藝主要針對(duì)表貼電阻、電容、二極管等小型表貼器件，是通用表面組裝工藝方法，至今其他器件均未發(fā)生類似情況。2016年后新組建的回流設(shè)備可提高回流爐內(nèi)熱風(fēng)穩(wěn)定性，可保證表貼器件不經(jīng)點(diǎn)膠固定，就能達(dá)到不偏移、掉落等缺陷，因此，2016年6月更改了新的工藝文件，刪除了點(diǎn)膠工序。該產(chǎn)品已發(fā)生5起二極管斷裂故障，均因二極管點(diǎn)紅膠發(fā)生斷裂，因此，點(diǎn)紅膠是造成二極管出現(xiàn)應(yīng)力斷裂的原因。

斷裂二極管端口分析無三防漆，焊接設(shè)備均在檢測(cè)有效期內(nèi)，設(shè)備焊接條件、狀態(tài)和檢測(cè)記錄正常，生產(chǎn)環(huán)境在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，因此排除其影響。焊接過后的二極管均進(jìn)行AOI自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)和人工目檢，清查檢驗(yàn)記錄和試驗(yàn)記錄，產(chǎn)品合格。

5 故障機(jī)理及驗(yàn)證試驗(yàn)

查詢紅膠手冊(cè)，手冊(cè)中描述，當(dāng)25℃（室溫）～70℃時(shí)，紅膠的膨脹系數(shù)為50K-1，在90℃～150℃時(shí)，膨脹系數(shù)為160K-1。二極管的玻殼熱膨脹系數(shù)為8.9～9.5K-1（30℃～380℃范圍），二者相差較大，熱匹配失衡。

二極管焊接前，管殼下方點(diǎn)有紅膠，在后續(xù)使用或試驗(yàn)過程中伴隨著溫度交替變化（二極管正常工作溫度范圍：-55℃～150℃）。因紅膠與玻殼熱膨脹系數(shù)相差較大，在溫度交替過程中紅膠會(huì)對(duì)玻殼產(chǎn)生較大應(yīng)力，最終導(dǎo)致玻殼斷裂。

驗(yàn)證一：試驗(yàn)條件-55℃～100℃，同批同篩器件進(jìn)行150次溫度循環(huán)，每50次循環(huán)觀察產(chǎn)品狀態(tài)，驗(yàn)證數(shù)量100只，結(jié)果工裝1點(diǎn)膠失效1只，工裝2不點(diǎn)膠失效0只。

驗(yàn)證二：對(duì)廠家二極管進(jìn)行四組試驗(yàn)，每組各100只二極管，試驗(yàn)條件為：-55℃～100℃，進(jìn)行500次溫度循環(huán)，每50次溫循后觀察器件狀態(tài)，結(jié)果試驗(yàn)1點(diǎn)膠、三防工藝失效1只，試驗(yàn)2點(diǎn)膠失效2只，試驗(yàn)3不點(diǎn)膠失效0只，試驗(yàn)4加倍點(diǎn)膠量失效1只。

驗(yàn)證結(jié)果：二極管點(diǎn)紅膠后，在溫度交替過程中因紅膠與玻殼熱膨脹系數(shù)相差較大，紅膠對(duì)玻殼產(chǎn)生較大應(yīng)力，最終導(dǎo)致玻殼斷裂。

6 改進(jìn)措施

針對(duì)以上故障原因，接口模塊采用以下方法進(jìn)行改進(jìn)：

（1）優(yōu)化焊接工藝，對(duì)玻殼二極管焊接不再使用紅色貼片膠固定二極管;

（2）舉一反三，清查已交付的二極管點(diǎn)紅膠產(chǎn)品，對(duì)因故障返修的模塊全部落實(shí)更改，也可在外場(chǎng)直接更改。

7 結(jié)語

某種接口模塊在使用中出現(xiàn)因復(fù)位異常導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常啟動(dòng)故障，通過復(fù)位機(jī)理分析，建立復(fù)位二極管斷裂故障樹，對(duì)故障分支進(jìn)行分析，確定二極管故障是因點(diǎn)紅膠后，溫度交替過程中，玻殼二極管和紅膠因膨脹系數(shù)不同，紅膠對(duì)玻殼產(chǎn)生較大應(yīng)力，最終導(dǎo)致二極管玻殼斷裂。通過機(jī)理分析和制定不同試驗(yàn)條件試驗(yàn)驗(yàn)證，二極管斷裂故障均能復(fù)現(xiàn)，最后優(yōu)化焊接工藝，去除玻殼二極管點(diǎn)膠工藝，同時(shí)對(duì)其他產(chǎn)品舉一反三，改進(jìn)方法經(jīng)驗(yàn)證有效，能夠預(yù)防和避免同類故障重復(fù)發(fā)生，提高了產(chǎn)品可靠性，降低維修成本和試驗(yàn)費(fèi)用，在工程應(yīng)用中能夠起到重要的指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：花文波（1986— ），男，漢族，陜西西安人，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。