進(jìn)氣壓力溫度傳感器錫晶須的分析

□ 許 晶 □ 王雅南 □ 魏慶山 □ 姚君韋

1.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江寧波 315336 2.浙江吉利動力總成有限公司 浙江寧波 315800

1 分析背景

進(jìn)氣壓力溫度傳感器主要用于檢測汽車進(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傳遞至汽車電子控制單元,汽車電子控制單元利用進(jìn)氣壓力溫度傳感器的輸出信號,配合轉(zhuǎn)速信號確定進(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)動機(jī)正常點(diǎn)火。

隨著新能源汽車的發(fā)展,電子元器件已成為汽車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,在汽車發(fā)動機(jī)上應(yīng)用,質(zhì)量問題需要引起重視。

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)界仍是一個亟待解決的問題。

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,檢測壓力通過惠斯頓電橋,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溫及對壓力值進(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

某汽車發(fā)動機(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號針腳出現(xiàn)斷路或2號、3號針腳有短路,進(jìn)行具體排查。

(1) 通過對發(fā)動機(jī)電子控制單元和線束端進(jìn)行排查[3],發(fā)現(xiàn)原車更換新進(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破損、浸水、進(jìn)異物等情況。

(3) 對進(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[4],檢測結(jié)果符合圖紙要求,排除因芯片接插件尺寸問題引起故障。

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

(5) 對進(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X光檢測,進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片針腳內(nèi)部無短路、斷線,熱敏電阻引腳無斷線、短路,熱敏電阻無熔化變形。

(6) 對進(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包裹,相鄰針腳間距為0.8 mm,確認(rèn)相鄰的針腳間距過小,存在浸水、雜質(zhì)導(dǎo)致短路的風(fēng)險。

(7) 對進(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、2號針腳,1號、4號針腳,3號、4號針腳間的電阻值均存在超差問題。

顯微鏡下觀察錫晶須,如圖2所示。通過觀察發(fā)現(xiàn),在進(jìn)氣壓力溫度傳感器芯片2號、3號針腳根部存在錫晶須,錫晶須生長超過針腳之間的距離,導(dǎo)致短路,如圖3所示。剔除錫晶須后進(jìn)行復(fù)測,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錫晶須,導(dǎo)致故障發(fā)生。

▲圖2 錫晶須顯微鏡圖像

經(jīng)過以上排查,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。

針對此次故障,對進(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,同時增大相鄰針腳之間的距離,由原來的0.8 mm增大到2.2 mm。

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

▲圖3 錫晶須導(dǎo)致芯片針腳短路

4 錫晶須生長機(jī)理

錫晶須的生長主要從芯片針腳錫鍍層開始,具有較長的潛伏期。錫晶須的生長受四方面因素影響。

(1) 基體材料。錫晶須的生長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)芯片針腳錫鍍層會生長錫晶須,金、銀鍍層不會生長晶須。

(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速率。

錫晶須的生長形態(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。如果錫晶須生長到一定長度,會導(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替換現(xiàn)有的錫鍍層,抑制錫晶須的生長。但筆者嘗試過很多種類錫合金,目前尚未找到可以避免錫晶須生長的錫合金材料[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的主要因素,有人試圖通過退火的方法來消除錫鍍層內(nèi)部殘余應(yīng)力[6],但是通過研究試驗(yàn),無法確定這一方法是否有效。

▲圖4 錫晶須生長形態(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。但有文獻(xiàn)提到,這種方法制得的試樣在熱循環(huán)試驗(yàn)中更容易生長錫晶須,所以還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

6 結(jié)束語

汽車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錫晶須,引起進(jìn)氣壓力溫度傳感器信號異常,出現(xiàn)短路故障。通過對進(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。

目前,電子元器件在汽車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,因此需要進(jìn)一步開展更為全面深入的研究。