灌封狀態(tài)下焊點(diǎn)短路故障工藝研究

周亞芳

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽，471000）

0 引言

電子線路的穩(wěn)定性是通信電路中最重要的指標(biāo)，若電子產(chǎn)品的焊點(diǎn)在使用中出現(xiàn)短路將是致命的，本文對(duì)環(huán)氧膠灌封狀態(tài)下的焊點(diǎn)短路原因進(jìn)行了研究，對(duì)環(huán)氧膠的應(yīng)力釋放及電子裝聯(lián)技術(shù)中的錫須有了初步了解。

1 焊點(diǎn)短路的概述

如圖1所示，模塊兩側(cè)引腳為兩排結(jié)構(gòu)，分別焊接在小印制轉(zhuǎn)接板上，圖上產(chǎn)品一端焊接引腳后，在焊盤上焊接導(dǎo)線并灌封環(huán)氧膠料，一端只焊接了引腳，當(dāng)所有操作完成后同意需要在小印制轉(zhuǎn)接板上焊接導(dǎo)線并灌封。

圖1 模塊裝配圖

此模塊裝配測試、溫度循環(huán)、振動(dòng)試驗(yàn)均合格，將其裝配在整機(jī)上進(jìn)行耐久振項(xiàng)目時(shí)出現(xiàn)了模塊其中一個(gè)引腳對(duì)自身殼體短路，此時(shí)距離模塊獨(dú)立測試已經(jīng)1個(gè)月。

2 原因分析

■2.1 多余物引起

引腳短路，模塊已經(jīng)為玻璃絕緣子結(jié)構(gòu)，對(duì)模塊的短路引腳進(jìn)行X檢測，如圖2所示，模塊與引腳之間無明顯短路現(xiàn)象，也沒有錫渣之類的多余物。

圖2 X光檢測

為了排查短路原因，切除短路引腳灌封膠料，在切除膠料的過程中監(jiān)測引腳對(duì)殼阻值，前三次切除的膠料未緊貼殼體，引腳仍然短路，最后切除緊貼殼體部分的兩塊膠料后測量阻值，短路現(xiàn)象消失。并重新振動(dòng)，故障不再出現(xiàn)。

將切下的最后兩塊膠料（分別為長條狀和方塊狀）在顯微鏡下觀察，其中方塊狀膠料表面有多處金屬亮點(diǎn)，成分析發(fā)現(xiàn)有銅、鋁、鐵等金屬元素，銅元素在長條狀環(huán)氧膠貼近器件管腿面，能譜掃面位置未發(fā)現(xiàn)異常，認(rèn)為是在膠料摳除時(shí)從引腳帶下的導(dǎo)線基材，以元素形式存在，不能引起短路。鐵元素在方塊狀環(huán)氧膠刀痕面，能譜掃面位置未發(fā)現(xiàn)異常，膠料摳除時(shí)所用工具為鐵質(zhì)刀面，認(rèn)為是刀面上鐵元素殘留在膠料上，不能引起短路。光學(xué)顯微鏡下觀察，可見多處銀白色金屬光澤多余物，其中較大的一塊多余物在方塊狀環(huán)氧膠貼近殼體面位置，能譜掃描顯示為鋁元素，最長邊不超過0.1mm。結(jié)果參見圖3。

圖3 成分分析

模塊引腳與殼體若因?yàn)榻饘倭咙c(diǎn)短路，此亮點(diǎn)必須在玻璃絕緣子上，連接了殼體與引腳，測量引腳與殼體最小間距在0.2mm，為此認(rèn)為此亮點(diǎn)不會(huì)引起短路。

■2.2 環(huán)氧膠應(yīng)力釋放

此故障的發(fā)生時(shí)機(jī)為裝配測試合格1個(gè)月后，耐久振條件下發(fā)生，灌封膠料扣除，故障消失。

王振輝表示，希望通過京東物流高品質(zhì)的服務(wù)，為千家萬戶，為億萬消費(fèi)者帶來真正的高品質(zhì)的享受，這是京東物流對(duì)個(gè)人業(yè)務(wù)市場的推進(jìn)的初衷，我們的理念是“不止多一種選擇”，就個(gè)人業(yè)務(wù)具體來說有三個(gè)特點(diǎn)：

灌封所用的環(huán)氧膠料成分為環(huán)氧樹脂E-51、多乙烯多胺、鄰苯二甲酸二丁酯按一定比例配制而成，其中多乙烯多胺和鄰苯二甲酸二丁酯為標(biāo)準(zhǔn)試劑，環(huán)氧樹脂E-51為常用的環(huán)氧樹脂膠料，本身不導(dǎo)電，灌封時(shí)膠料直接灌封在小印制轉(zhuǎn)接板上，且完全包裹住印制板焊盤、模塊引腳及引腳根部的玻璃絕緣子。灌封固化后像玻璃一樣，硬度高。

按QJ3215-2005《航天電子電氣產(chǎn)品元器件環(huán)氧樹脂膠粘合劑粘固技術(shù)要求》采用環(huán)氧膠粘固元器件，不應(yīng)遮蓋焊盤，膠液不得流向元器件引線和其它與粘接無關(guān)的地方。易損元器件（如玻璃二極管等）不允許使用環(huán)氧樹脂粘固。在電子產(chǎn)品中屬限用工藝。模塊的灌封方式正好完全與限用工藝重合，環(huán)氧膠料24h固化后應(yīng)力釋放對(duì)焊點(diǎn)及引腳根部玻璃絕緣子會(huì)產(chǎn)生影響，比如拉裂玻璃絕緣子，此種現(xiàn)象在其它產(chǎn)品上已有發(fā)生。

故障發(fā)生時(shí)理論上膠料已經(jīng)固化，引腳不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。但環(huán)氧膠的應(yīng)力是非常大的，在電子裝聯(lián)技術(shù)中有過因膠料的應(yīng)力釋放過程導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂現(xiàn)象，大膽猜測，在振動(dòng)時(shí)應(yīng)力未完全釋放，整個(gè)短路通路沒有完全連通，在振動(dòng)過程中膠料進(jìn)一步釋放應(yīng)力，帶動(dòng)金屬亮點(diǎn)多余物與殼體和管腳的相對(duì)位置發(fā)生變化，振動(dòng)應(yīng)力加速了內(nèi)部應(yīng)力的釋放和位置的相對(duì)變化，在耐久振動(dòng)累計(jì)至135分鐘時(shí)形成了完整的導(dǎo)電通路，引發(fā)故障。

取工藝模塊，模擬引入多余物進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過高低溫后，模塊確有個(gè)別管腳與殼體之間的電阻值發(fā)生了變化，對(duì)產(chǎn)品性能有一定的影響，存在斷路到短路的情況，證明管腳與模塊殼體短路機(jī)理分析（灌封膠內(nèi)的應(yīng)力逐步釋放帶動(dòng)多余物的相對(duì)位置發(fā)生變化）是成立的。繼續(xù)該試驗(yàn)，經(jīng)過多個(gè)高低溫循環(huán)后，模塊各管腳與殼體之間的電阻值趨于穩(wěn)定（第三個(gè)高低溫循環(huán)后電阻均為∞），說明灌封膠內(nèi)的應(yīng)力逐步釋放后產(chǎn)品可以趨于穩(wěn)定。

之后繼續(xù)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中監(jiān)控了膠料應(yīng)變和電阻變化情況。振動(dòng)過程中，沒有檢測到灌封膠料產(chǎn)生明顯應(yīng)變，電阻也沒有明顯變化。試驗(yàn)表明，振動(dòng)應(yīng)力對(duì)灌封膠料影響有限，不是故障發(fā)生的主要原因。

因工藝模塊數(shù)量有限，統(tǒng)計(jì)之間的灌封膠料開裂數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中每批次有一到兩個(gè)灌封固化合格的產(chǎn)品放置一個(gè)月后，灌封膠料表面出現(xiàn)開裂的情況，從這一數(shù)據(jù)來分析，膠料開裂是固化后的膠料內(nèi)部應(yīng)力持續(xù)釋放的一個(gè)過程。

環(huán)氧膠的固化應(yīng)力來源于三個(gè)方面：體積變化、溫度影響和自身的粘彈性。在固化過程中環(huán)氧膠體積收縮，凝膠后體積不變，固化應(yīng)力隨著體積的改變先增大后趨于不變。固化初環(huán)氧流動(dòng)性很強(qiáng)，其彈性模量與松弛模量為零，沒有應(yīng)力松弛。固化過程中，環(huán)氧樹脂分子鏈段含有的剛性鏈段苯環(huán)，在固化反應(yīng)中隨時(shí)間和溫度的變化發(fā)生相變，膠的粘彈性增大，產(chǎn)生應(yīng)力松弛。由此，環(huán)氧膠的固化應(yīng)力隨固化反應(yīng)的進(jìn)行而變化至趨于穩(wěn)定。一般，環(huán)氧樹脂的固化速率隨固化程度的加深變慢，在常溫條件下的完全固化所需時(shí)間較長，因此環(huán)氧膠的固化應(yīng)力趨于穩(wěn)定所需時(shí)間也較長。

為此環(huán)氧膠應(yīng)力釋放這一因素不能排除。

■2.3 錫須效應(yīng)

錫須是電子產(chǎn)品中的一種常見現(xiàn)象，是一種單晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電，其直徑可達(dá)10μm，長度有時(shí)可達(dá)10mm，會(huì)導(dǎo)致電子短路，且其具有較長的潛伏期，從幾天到幾個(gè)月。

錫須成長可以說是一種應(yīng)力釋放的現(xiàn)象。就現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，應(yīng)力的形式簡單分為三種：機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力，而化學(xué)應(yīng)力是造成錫須自發(fā)性成長的最重要原因。

對(duì)產(chǎn)品焊點(diǎn)來說，外來的振動(dòng)應(yīng)力和膠料釋放應(yīng)力都可歸結(jié)為外來的機(jī)械應(yīng)力，模塊引腳為兩排結(jié)構(gòu)，印制板焊盤被夾持在兩排引腳之間，模塊殼體、引腳、小轉(zhuǎn)接印制板三者之間的間隙內(nèi)填滿了環(huán)氧膠，在膠料應(yīng)力釋放及振動(dòng)應(yīng)力夾持下，受到壓力的邊緣處容易發(fā)生錫須現(xiàn)象。

熱應(yīng)力主要來自焊接，整個(gè)生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過兩次焊接，采用的焊料為錫鉛焊料，產(chǎn)生錫須的可能性極低。

產(chǎn)品受結(jié)構(gòu)限制，模塊殼體與印制板貼合裝配，理論上無間隙，但貼合處受貼合面的表面粗糙度、加工精度影響，不能實(shí)現(xiàn)水密，焊接過程中使用的液體助焊劑殘留流入縫隙，在清洗過程中模塊殼體、引腳、印制板間間隙很難被清理干凈，灌封膠料固化后為玻璃體的透明色，直接可以觀察到焊盤發(fā)黃的情況，助焊劑殘留會(huì)腐蝕焊點(diǎn)表面的氧化層，一但焊點(diǎn)表面的氧化層被破壞，錫便會(huì)從被破壞的氧化層裂縫中被推擠出而形成錫須。

分析短路的產(chǎn)品，因?yàn)槟K引腳與印制板焊盤之間的間隙非常小，約0.2m，焊接時(shí)由于焊錫的潤濕性，焊錫會(huì)沿引腳爬升至根部，根部有玻璃絕緣子，不會(huì)造成直接短路，若產(chǎn)生錫須效應(yīng)，當(dāng)引腳不在玻璃絕緣子中心，引腳接近殼體，灌封環(huán)氧膠后，灌封膠內(nèi)的應(yīng)力逐步釋放，高低溫、振動(dòng)試驗(yàn)等一系列因素下，就可能引起短路，扣膠時(shí)需用到預(yù)熱的熱刀，而錫須是怕熱的，摳膠過程中一破壞原有條件，故障消失。

圖4 模塊安裝圖

3 改進(jìn)方式

■3.1 增加電氣距離

從錫須現(xiàn)象的分析來看，模塊引腳與印制板焊盤之間距離太小，若提高電氣距離，焊錫不會(huì)爬升至引腳根部，而引腳為渡金腿，在根部為鍍金腿的情況下能非常好的抑制錫須的生長。

裝配時(shí)模塊殼體與橋接板之間保持裝配間隙約0.5mm，加上印制板便于與焊盤本身的0.2mm間隙，焊盤據(jù)模塊殼體有0.7mm的間隙。

印制板與模塊殼體增加距離后助焊劑流入印制板與模塊殼體之間間隙，清洗時(shí)因間隙大，助焊劑殘留可以隨著清洗液一起流出間隙，清洗過程中還可以用毛刷對(duì)間隙內(nèi)進(jìn)行清洗，避免助焊劑殘留物腐蝕焊點(diǎn)氧化層，氧化層可以阻擋錫向外延伸。

■3.2 減少環(huán)氧膠應(yīng)力對(duì)引腳的影響

環(huán)氧膠灌封時(shí)，膠料直接與印制板、模塊殼體、引腳、模塊的玻璃絕緣子接觸，應(yīng)力釋放時(shí)直接作用于焊盤、引腳、模塊引腳的玻璃絕緣子。

在印制板上及增加的裝配間隙中涂覆三防用的清漆1-B-31，1-B-31固化后有彈性，可以隔絕環(huán)氧膠的應(yīng)力，同時(shí)起到三防的作用。

環(huán)氧膠料的固化時(shí)間正常為24小時(shí)，為了徹底釋放環(huán)氧膠的應(yīng)力，將固化后的產(chǎn)品常溫放置7天，因本身的生產(chǎn)周期為15天，加上放置的7天，及裝配過程中的溫度試驗(yàn)加速了環(huán)氧膠應(yīng)力的釋放，裝配至整機(jī)上后隨整機(jī)進(jìn)行溫度試驗(yàn)，加上整機(jī)的裝調(diào)時(shí)間，產(chǎn)品相當(dāng)于應(yīng)力釋放了一個(gè)月，這樣正好與往批產(chǎn)品一個(gè)月后膠料開裂時(shí)間重合，可以檢驗(yàn)灌封膠料是否開裂，同時(shí)可使膠料的應(yīng)力充分釋放。

4 驗(yàn)證

在工藝件上做驗(yàn)證，如圖5所示，焊接時(shí)印制板與模塊之間留有間隙，焊接后在焊盤及間隙內(nèi)涂覆上清漆，圖上呈現(xiàn)紫色的區(qū)域涂覆了清漆，此處間隙內(nèi)必須涂上清漆，避免后期環(huán)氧膠流入間隙，否則環(huán)氧膠的應(yīng)力依然與模塊玻璃絕緣子接觸，最后灌封。裝配可行。

圖5 驗(yàn)證件

將工藝件進(jìn)行機(jī)動(dòng)抖振、自主飛振動(dòng)、溫度循環(huán)、溫度循環(huán)后耐久振動(dòng)，檢查工藝件，產(chǎn)品電氣性能良好，無短路故障，外觀檢查環(huán)氧灌封料未出現(xiàn)脫落、開裂等現(xiàn)象，灌封料與模塊殼體及橋接板粘接良好，無松脫跡象。

此種方式應(yīng)用到了產(chǎn)品上，在后續(xù)4年里無短路故障發(fā)生，而之前3年中共出現(xiàn)了5例。從累計(jì)數(shù)據(jù)來看，故障原因定位是準(zhǔn)確的，方法也是可行的。

5 結(jié)論

錫須的增長、環(huán)氧膠料應(yīng)力的釋放共同作用引起模塊引腳與殼體短路，這種短路無法用X光、顯微鏡、電鏡成分分析的方式直接發(fā)現(xiàn)，但在增加電氣距離及減少應(yīng)力的雙重作用下，故障再未出現(xiàn)，從側(cè)面證明了原因定位是準(zhǔn)確的，同時(shí)改進(jìn)方法中大膽的采用先刷涂清漆后灌封環(huán)氧膠的方式來緩沖環(huán)氧膠的應(yīng)力，為環(huán)氧膠的灌封打開了新思路。