熱應力對電子器件焊點可靠性影響分析與研究

作者簡介：趙宇翔，男，助理工程師，主要研究方向：電子元器件失效分析。

控制器是空調(diào)的主要部件，有空調(diào)“大腦”之稱，其中控制器顯示裝置用來向用戶反映當前機組運行狀態(tài)，進而根據(jù)顯示界面調(diào)節(jié)不同模式。顯示裝置常采用LED 作為顯示屏，驅(qū)動較為簡單，主要使用三極管驅(qū)動，顯示效果較好。目前售后反饋，顯示板集中出現(xiàn)多單顯示缺劃故障，界面缺劃將直接影響用戶對產(chǎn)品運行狀態(tài)的判斷，因此結合過程和售后數(shù)據(jù)對顯示顯示裝置的失效機理及工作可靠性進行研究分析，具有非常重要的意義。

1   事件背景

機組電控在售后出現(xiàn)缺劃、顯示不良等故障，經(jīng)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)其售后故障率較高，主要故障為內(nèi)機顯示板雙“8”顯示缺失，左單“8”或右單“8”整體缺失（如圖1 所示），使用2 ～ 4 年內(nèi)失效非常突出。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，使用時間越久，故障失效數(shù)越多，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實際體驗效果。

圖1 空調(diào)顯示界面顯示缺劃

2   顯示異常失效機理分析

2.1 失效器件性能測試

顯示區(qū)域6 個三極管阻值、PN 值特性正常，顯示芯片等器件上電供電電壓正常，排除器件本身性能失效。

2.2 器件焊點分析

發(fā)現(xiàn)失效集中在主板Q82、Q83、R83、R85 四處元器件引腳脫焊位置，用手晃動引腳位置顯示正常，將脫焊位置重新焊接后，空調(diào)顯示板顯示正常。查看失效焊點，判斷為非制造故障，主要失效為9012 型號三極管引腳脫焊，主板Q83 位置的三極管集電極引腳外觀均存在脫焊現(xiàn)象，肉眼可以明顯觀察到，故障失效明顯。

2.3 故障模擬

選取同編碼主板，模擬將Q83 位置的三極管集電極引腳焊點懸空，上電測試故障現(xiàn)象與售后故障現(xiàn)象一致，由此可確定故障原因為Q83 位置三極管引腳脫焊導致。

2.4 固定膠體發(fā)黃

發(fā)現(xiàn)失效故障內(nèi)機主板雙“8”顯示區(qū)的三極管均由黃色熱熔膠固定（如圖2 所示），且控制雙“8”顯示的3 處三極管包裹的熱熔膠體顏色已呈深黃色。

2.5 故障點進行鏡像分析

放大鏡檢焊點頂部均已脫焊，脫焊位置在引腳與焊盤焊接點錫處，并非結合處。

圖2 熱熔膠覆蓋圖

鏡像分析（如圖3 所示），對部分故障板引腳打磨鏡像觀察，脫焊的三極管引腳已經(jīng)完全脫焊。同時對同區(qū)域未脫焊的R85 打膠引腳進行鏡像查看，引腳焊接處已經(jīng)出現(xiàn)明顯裂痕。

圖3 焊點鏡像研磨圖

3   顯示電路分析

3.1 脫焊器件分析

根據(jù)復核數(shù)據(jù)，主要集中在顯示電路9N12 型號三極管以及電阻位置，少數(shù)過零檢測電路三極管位置也有失效。失效位置可以明顯看到膠體發(fā)黃，器件引腳焊盤脫焊，判定為打膠影響焊點質(zhì)量。

3.2 電流與電壓分析

從復核數(shù)據(jù)來看，A 編碼主板失效較多，故障主要集中在主板Q82、R83，Q83、R85打膠位置。對該處電壓、電流值進行測試，如表4 測試數(shù)據(jù)，相比R87（控制電源顯示），Q82、R83（左“8”顯示）及Q83、R85（右“8”顯示）驅(qū)動電壓、電流值較大，運行時功率較大，產(chǎn)生的熱量較大（見表1）。

分體內(nèi)機主板顯示電路原理圖（如圖4 所示），數(shù)碼管顯示單“8”，在驅(qū)動電路中，主要是3 個9012 型號三極管驅(qū)動，輸出電壓在12 V 以上，在整個顯示電路中此位置三極管電壓最高，通過電流量最大，進而功率較大，發(fā)熱較突出。

圖4 顯示電路原理圖

3.3 打膠防護起因

廠內(nèi)生產(chǎn)過程與售后出現(xiàn)三極管引腳斷，以及電阻倒伏出現(xiàn)引腳相碰故障（如圖5 所示），為了防止此位置器件周轉(zhuǎn)時出現(xiàn)引腳斷，在器件表面進行打膠防護，并下發(fā)工藝文件，打膠后整改效果明顯，再未出現(xiàn)此類引腳斷故障。

圖5 器件引腳斷裂及倒伏狀

4   模擬驗證

4.1 故障通電測試

模擬故障主板通電運行1 h，引腳處點膠體已經(jīng)明顯軟化，電阻、三極管引腳可以輕微搖動，將在膠體軟化狀態(tài)下缺右“8”的故障件輕輕撥動使其能正常顯示后關機，待膠體冷卻后再開機，顯示再次缺右“8”，同步結合膠體狀態(tài)判定膠體在冷卻硬化過程中整體收縮（如圖6 所示），對引腳產(chǎn)生拉力，長時間反復作用，導致引腳脫焊，判斷為引腳在受冷熱沖擊后，受到外界機械力導致。

圖6 器件引腳受沖擊示意圖

4.2 模擬打膠試驗

試驗條件：高溫125 ℃，低溫-40 ℃。高溫20 min，低溫15 min，溫度切換時間為2.5 min，1 個周期40 min，共計循環(huán)240 周期。

試驗樣品：主板引腳打白膠；主板打黃膠。

試驗結果：

1）黃色熱熔膠比白色熱熔膠熔點低，流動性更強（黃色熱熔膠經(jīng)過試驗已經(jīng)在板面流動），硬化后較脆容易受溫度沖擊而開裂（如圖7 所示）。

2）試驗過后，打白色熱熔膠的主板引腳處有部分已經(jīng)出現(xiàn)裂紋。

3）打黃色熱熔膠的主板，在試驗過后所有打膠焊均發(fā)生嚴重變形現(xiàn)象，引腳焊點損壞嚴重。

圖7 器件引腳打熱熔膠

5   性能失效機理分析

熱脹冷縮是指物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮的特性，由于物體內(nèi)的粒子（原子）運動會隨溫度改變而改變，當溫度上升時，粒子的振動幅度加大令物體膨脹，但當溫度下降時粒子的振動幅度便會減少，使物體收縮。

故障主板測試均顯示缺劃，之前主要為防止三極管引腳斷，在器件引腳打膠，三極管驅(qū)動電路功率較大，發(fā)熱量較大，用戶長時間使用過熱，在關機冷卻后產(chǎn)生膨脹與收縮力導致焊點脫焊，長期如此導致焊點面慢慢與焊盤脫落形成脫焊故障，影響產(chǎn)品可靠性。

6   可靠性提升解決方案

1）出現(xiàn)缺劃故障主要是打黃色熱熔膠引起，目前已下發(fā)新的工藝要求取消打膠，與此同時同步對廠內(nèi)執(zhí)行情況進行排查符合要求，目前生產(chǎn)主板均已取消三極管位置打膠，故障已整改并對其工藝流程進行優(yōu)化（如圖8 所示），引腳式電阻器由原來的手插改為設備自動插裝且引腳根部增加絕緣漆，防止出現(xiàn)倒伏碰撞。

圖8 現(xiàn)生產(chǎn)方式

2）流水線增加節(jié)拍器控制，節(jié)拍器使用密碼鎖頻，密碼有對口質(zhì)量部門及工藝部門保管，同時制定相關關鍵控制計劃并下發(fā)生產(chǎn)單位，以保證質(zhì)量受控。

3）生產(chǎn)線體增加EVA 托盤、桌面軟接觸等防護措施（如圖9 所示），通過增加托盤及泡棉等進行軟防護，整改措施效果明顯，同時要求預裝注塑件工序進行分離式生產(chǎn)，與主板生產(chǎn)分開，避免過程刮擦，進而大大提高了產(chǎn)品的可靠性。

圖9 增加托盤

7   失效整改總結及意義

器件引腳焊點龜裂失效模式在常規(guī)失效模式中并不像其他核心功率電子元器件失效模式一樣得到很高的重視，但往往異常的出現(xiàn)都是隱秘性的、長期性的和關鍵性的。目前的功率器件趨于小型化，多功能化，對可靠性的依靠越來越高，不僅考慮器件的使用性，也要考慮實際生產(chǎn)、安裝、維修等情況，本次通過產(chǎn)品實際使用過程中的問題反饋，調(diào)整工藝標準及完善過程控制計劃，從器件本身可靠性及實際使用環(huán)境優(yōu)化升級，提高了物料的可靠性。

參考文獻：

[1] 盧銀花,侯亞峰,鄭林楠,等.絕緣子樹脂與金屬嵌件熱應力研究[J].電工電氣,2020(2):23-26,42.

[2] 仝蒙,傅蔡安,葉君劍.電子封裝熱應力失效分析新方法[J].電子元件與材料,2013(10):71-73.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）