國(guó)產(chǎn)元器件高可靠裝聯(lián)常見(jiàn)問(wèn)題及其啟示

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(duì)航天高可靠、長(zhǎng)壽命電子產(chǎn)品用國(guó)產(chǎn)元器件，通過(guò)近年元器件國(guó)產(chǎn)化的應(yīng)用實(shí)踐，從電子裝聯(lián)的角度，對(duì)元器件國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中的常見(jiàn)共性問(wèn)題進(jìn)行了分析和總結(jié)，并淺談了元器件國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中這些問(wèn)題對(duì)我們的啟示及后續(xù)應(yīng)注意的問(wèn)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(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，以美國(guó)為首的西方主要軍事大國(guó)對(duì)我國(guó)部分元器件的封鎖和禁運(yùn)不斷升級(jí)，迫使我國(guó)必須走自主發(fā)展的道路［1］；同時(shí)，隨著國(guó)產(chǎn)化替代及國(guó)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(jì)也逐漸從采用進(jìn)口元器件轉(zhuǎn)移到采用國(guó)產(chǎn)元器件。但隨著被動(dòng)與主動(dòng)元器件國(guó)產(chǎn)化替代的實(shí)施，國(guó)產(chǎn)元器件在電子產(chǎn)品裝聯(lián)過(guò)程中逐漸暴露出一些共性問(wèn)題，本文根據(jù)近年國(guó)產(chǎn)元器件裝聯(lián)的工程實(shí)踐，總結(jié)目前國(guó)產(chǎn)元器件裝聯(lián)所面臨的常見(jiàn)問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題淺談國(guó)產(chǎn)化元器件高可靠裝聯(lián)應(yīng)注意的事項(xiàng)并提出相關(guān)建議。

1 元器件設(shè)計(jì)裝聯(lián)工藝性不足

1.1 問(wèn)題特征

元器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)不便或引起單機(jī)產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題。

1.2 應(yīng)用問(wèn)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(zhǎng)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(jí)裝聯(lián)要求，TO 封裝元器件安裝在PCB 上時(shí)，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(jì)、工藝直接導(dǎo)致板級(jí)產(chǎn)品無(wú)法使用。

1.2.2 面板電連接器無(wú)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(guò)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(lái)越廣泛。但部分通過(guò)引腳直接焊接在印制板上的電連接器本體只設(shè)計(jì)了與結(jié)構(gòu)安裝的法蘭，沒(méi)有設(shè)計(jì)與印制板的固定結(jié)構(gòu)，如圖2所示。按照高可靠板級(jí)裝聯(lián)要求，對(duì)于需同時(shí)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(méi)有設(shè)計(jì)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(wèn)題，很多情況下需額外設(shè)計(jì)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(shí)單機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)結(jié)構(gòu)凸臺(tái)（或外圍一周整體為凸臺(tái)）或凸臺(tái)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(jì)形式為后續(xù)焊接、清洗、多余物清理及檢驗(yàn)帶來(lái)一系列困難。本體與印制板緊密接觸不利于焊接時(shí)焊料的順利流動(dòng)，容易形成透錫不良的不合格焊點(diǎn)；同時(shí)后續(xù)清洗時(shí)不利于清洗劑的流動(dòng)、多余物的清除，如果存在錫珠等金屬多余物，只能對(duì)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(wú)法清除電連接器本體與PCB 之間的錫珠。為了解決以上問(wèn)題，單機(jī)設(shè)計(jì)一般再設(shè)計(jì)單獨(dú)的凸臺(tái)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(shí)，在這種元器件結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)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(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本。

1.3 問(wèn)題啟示

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工藝性。但對(duì)于元器件的設(shè)計(jì)，除注重元器件自身的設(shè)計(jì)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(jì)初期就應(yīng)考慮元器件后續(xù)裝聯(lián)安裝的可靠性問(wèn)題、裝聯(lián)的工藝方法、使用禁忌等。這對(duì)元器件設(shè)計(jì)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(shuō)明書）不夠細(xì)化

2.1 問(wèn)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(wèn)題

2.2.1 表貼玻封二極管焊后玻璃本體開裂

某國(guó)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(wèn)題復(fù)現(xiàn)，玻璃內(nèi)部分層與再流焊接過(guò)程受到的熱應(yīng)力有關(guān)。經(jīng)核對(duì)產(chǎn)品規(guī)范，廠家在規(guī)范中沒(méi)有關(guān)于再流焊接的相關(guān)信息、元器件沒(méi)有進(jìn)行過(guò)關(guān)于再流焊接相關(guān)溫度范圍的模擬試驗(yàn)。裝聯(lián)注意事項(xiàng)的缺失會(huì)導(dǎo)致元器件在裝聯(lián)過(guò)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(xiǎn)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(wèn)題

某國(guó)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(wèn)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(duì)產(chǎn)品規(guī)范，廠家元器件規(guī)范沒(méi)有關(guān)于器件濕敏等級(jí)、再流焊接前需進(jìn)行預(yù)烘處理的相關(guān)說(shuō)明。對(duì)于塑封濕敏元器件，板級(jí)裝聯(lián)通常進(jìn)行預(yù)烘除潮處理，如果廠家說(shuō)明書沒(méi)有關(guān)于元器件包裝、儲(chǔ)存、預(yù)烘溫度、時(shí)間等的相關(guān)說(shuō)明，容易給后端應(yīng)用帶來(lái)質(zhì)量隱患。

2.2.3 插裝電阻器質(zhì)量等級(jí)標(biāo)識(shí)不規(guī)范

某插裝電阻在安裝時(shí)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(duì)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(jí)的產(chǎn)品，具體標(biāo)記位置沒(méi)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(wú)關(guān)。廠家很清楚質(zhì)量等級(jí)標(biāo)識(shí)的含義，但如果沒(méi)有相關(guān)說(shuō)明或具體的規(guī)定，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)就會(huì)帶來(lái)困擾，如產(chǎn)品AOI檢驗(yàn)。

2.3 問(wèn)題啟示

相比國(guó)外元器件的產(chǎn)品規(guī)范，國(guó)內(nèi)元器件的規(guī)范在裝聯(lián)方面的應(yīng)用信息相對(duì)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(xiàng)等信息更少。通過(guò)與元器件廠家交流，導(dǎo)致這種問(wèn)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(duì)電裝時(shí)元器件自身的薄弱環(huán)節(jié)分析或試驗(yàn)驗(yàn)證不充分，所以沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)工作或進(jìn)行了部分工作沒(méi)有使問(wèn)題得以暴露，產(chǎn)品規(guī)范中自然也就沒(méi)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(yàn)證的充分性不足

3.1 問(wèn)題特征

元器件已經(jīng)經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)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(wèn)題，影響產(chǎn)品質(zhì)量，增加質(zhì)量控制成本。

3.2 應(yīng)用問(wèn)題

3.2.1 壓接端子長(zhǎng)度不足

某壓接型電連接器端子按照廠家產(chǎn)品使用手冊(cè)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(hào)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(yàn)樣品在壓接后存在同樣的問(wèn)題，結(jié)合多批次產(chǎn)品例行試驗(yàn)驗(yàn)證情況，廠家評(píng)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(duì)產(chǎn)品的使用帶來(lái)困惑。

3.2.2 元器件表面標(biāo)識(shí)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(shí)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(yàn)要求不規(guī)范，低于國(guó)軍標(biāo)的試驗(yàn)要求。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)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(yàn)、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(shí)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(cè)試過(guò)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(dòng)。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(shí)，助焊劑會(huì)沿各縫隙延伸到插孔合件的表面，從而引起對(duì)插后的電接觸不良，如圖10所示。

對(duì)比國(guó)外產(chǎn)品，其主要區(qū)別為國(guó)外產(chǎn)品是一體式結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品為壓接型的非密封分體式結(jié)構(gòu)。而針對(duì)這種差別，在元器件結(jié)構(gòu)分析及后續(xù)的應(yīng)用驗(yàn)證均沒(méi)有針對(duì)后續(xù)的裝聯(lián)情況采取針對(duì)性的分析及驗(yàn)證。對(duì)于通孔焊接的印制板電連接器，在電裝過(guò)程中必然會(huì)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(shí)，如果印制板電連接器沒(méi)有結(jié)構(gòu)凸臺(tái)抬高設(shè)計(jì)，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(wèn)題多次發(fā)生的一個(gè)重要原因。

3.3 問(wèn)題啟示

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

4 元器件二次篩選問(wèn)題

4.1 問(wèn)題特征

元器件篩選項(xiàng)目不全面，導(dǎo)致問(wèn)題遺留到生產(chǎn)階段；或國(guó)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(guò)程本體受損。

4.2 應(yīng)用問(wèn)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(tái)不對(duì)稱且歪斜（凸臺(tái)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(tái)不對(duì)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(zhǎng)不一致且最小長(zhǎng)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(duì)相關(guān)參數(shù)有針對(duì)性的篩選，就不會(huì)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(duì)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(duì)焊接后焊點(diǎn)不可見(jiàn)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(chǎng)景，針對(duì)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(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別并進(jìn)行過(guò)程管控，則會(huì)大大減少此類問(wèn)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(wèn)題。這種缺陷在電裝后會(huì)導(dǎo)致大量的焊點(diǎn)空洞，甚至影響焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性。經(jīng)查詢文獻(xiàn)［2］，此問(wèn)題多為產(chǎn)品老化工裝、測(cè)試工裝與元器件的引腳尺寸不匹配、老化或測(cè)試工裝超出使用壽命范圍等過(guò)程控制不規(guī)范所致。此問(wèn)題雖不是國(guó)產(chǎn)器件的篩選問(wèn)題，但也值得我們進(jìn)行舉一反三，對(duì)我們后續(xù)篩選有一定的警示作用。

4.3 問(wèn)題啟示

元器件國(guó)產(chǎn)化替代過(guò)程中廠家會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，二次篩選過(guò)程中應(yīng)積累經(jīng)驗(yàn)，識(shí)別不同封裝器件的薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地對(duì)篩選條件和篩選項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，提高二次篩選的有效性和全面性。同時(shí)，元器件篩選應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程控制，元器件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中國(guó)產(chǎn)化元器件或多或少與進(jìn)口器件會(huì)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(yǔ)

人們對(duì)任何新生事物的認(rèn)識(shí)都有一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，即使通過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證的元器件，在產(chǎn)品使用過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的應(yīng)用問(wèn)題也屬正常。航天高可靠、長(zhǎng)壽命電子產(chǎn)品對(duì)國(guó)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(shí)了解產(chǎn)品的應(yīng)用情況，及時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)、升級(jí)，及時(shí)完善產(chǎn)品規(guī)范；新應(yīng)用驗(yàn)證的元器件應(yīng)針對(duì)用戶的應(yīng)用場(chǎng)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(yàn)教訓(xùn)，完善應(yīng)用驗(yàn)證要求，有針對(duì)性的增加或刪減應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目，加強(qiáng)應(yīng)用驗(yàn)證方案的有效性；元器件篩選單位在元器件二次篩選時(shí)應(yīng)識(shí)別不同封裝器件的薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地對(duì)篩選條件和篩選項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，提高二次篩選的有效性和全面性。同時(shí)，考慮不同層級(jí)產(chǎn)品（如元器件級(jí)和板級(jí)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(jì)階段，除元器件設(shè)計(jì)師、工藝師參與外，還應(yīng)由板級(jí)裝聯(lián)領(lǐng)域的工藝專家參與，才能設(shè)計(jì)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。