二极管焊接加固工艺改进方法研究

    花文波　王旭东　杨彪

    

    

    摘 要：为研究接口模块复位异常导致系统无法启动故障，通过复位机理分析，建立复位二极管断裂故障树，分析故障原因并对分析结果进行试验和故障复现。结果表明：玻壳二极管电装过程中的点红胶工艺，在高低温交替过程中，因玻壳和红胶膨胀系数差异较大，红胶会对玻壳产生温度应力，最终导致玻壳断裂。改进的电装去红胶工艺，经多次高低温循环试验验证，改进措施有效。

    关键词：复位;FPGA;工艺改进;故障树;异常

    中图分类号：TP302文献标识码：A

    1 绪论

    接口模块用于完成数据的采集、处理和计算等，是一种多应用模式、多种操作系统并存的统型模块[1-2]。根据应用场景和功能要求、质量属性等，每类操作系统会根据当前特定需求、采用不同软件架构来实现[3]。随着操作系统种类多、规模大、软件重载，产品复位在系统中作用越来越大。

    复位就是系统初始化到一个确定的状态，稳定后撤销;或异常时使系统恢复正常工作[4-5]。

    接口模块在应用过程中因复位异常产生无法启动故障，建立失效器件故障树，对故障树各个分支进行分析，提出改进方法，试验验证改进措施有效，对提高航空接口模块产品可靠性，降低地面系统联试故障率、减少飞机在执行任务时报故有重大意义。

    2 接口模块复位机理

    接口模块复位电路如图1所示，复位芯片的前端输入信号由FPGA和模块硬件复位信号的“与电路”提供，硬件复位经复位芯片输出得到上电复位信号，输出至FPGA，经逻辑控制输出至CPU以及其他芯片。

    接口模块加电工作时，产品无法正常启动，通过测量，发现FPGA在逻辑加载之后，二极管DONE信号先高后低再高，低电平持续200ms，说明FPGA加载完成后发出的复位信号正常，测量模块硬件复位信号为3.3V常高，说明无复位信号输入，FPGA复位对应的二极管故障，导致内部复位信号无法传输，放大镜下观察二极管焊接情况，发现二极管表面有明显裂纹。

    3 二极管断裂故障树

    故障树在分析系统故障模式、查薄弱环节、指导故障维修等工作具有重要的参考价值[6]。自上而下寻找直接和间接原因，并进行分析计算。体现了研究问题的系统性、准确性和预测性[7]。可能导致二极管断裂的故障树如图2所示。

    4 二极管故障分析

    4.1 元器件缺陷

    二极管送失效分析，分析结果：器件电特性正常。因此排除电应力影响，分析结论：在使用中引入异常机械应力，导致玻封体局部产生裂纹，在后续环境应力作用下，二极管玻封体断裂开路而失效。

    经厂家清查，该型号表贴二极管产品年供货约20万只。2014年1月起至今，其他使用单位未反馈二极管断裂故障。厂家对器件的生产过程进行清查，清查结果：在人、机、料、法、环、测等环节均合格。

    4.2 设计缺陷

    二极管焊接位置周边空余区域较大，并不与其他器件产生干涉。模拟功能振动，通过建模与仿真，二极管中心振动应力最大为2.1MPa。二极管采用玻璃材料封装，抗拉极限为40MPa，最小安全系数19，满足功能振动环境要求。通过以上分析和仿真，排除设计缺陷导致二极管受外部机械应力产生断裂。

    4.3 运输过程缺陷

    产品入所后，所内对二极管按照《电子元器件入所复检规范》进行入所复检，对同批大于10支的数量抽取10支进行外观检查，检查采用目视或根据需要使用放大镜观察，包括引线、封装体，检查损伤、变形、裂缝、剥层、沟痕和空洞等缺陷。该型号二极管自使用以来在入所复检中未发生外观不合格情况。排除运输过程造成器件缺陷。

    4.4 筛选过程缺陷

    所内二次筛选按照《电子元器件二次筛选规范》进行，检验项目包括：外观初查、常温初测、温度循环、常温中测、高温反偏老炼、功率老炼、老炼后测试、外观复查。通过清查二筛过程各项试验条件及操作规程等，未发现有可能对二极管产生损伤的隐患，因此排除筛选过程造成缺陷。

    4.5 焊接缺陷

    可能影響二极管器件断裂的因素包括人员、焊接工艺、焊接工具、焊接材料、人员操作、环境五方面因素。

    人员情况，通过对焊接工序人员核查，人员均持持证上岗，未发现违规操作现象。

    焊接工艺文件齐全，为现行有效工艺文件，同期产品电装均采用回流焊接工艺，由于2016年前的回流焊接热风不可精细控制，圆柱形器件在焊接后易产生偏移、掉器件等问题，按照焊接规范要求，二极管焊接时需通过红色贴片胶固定后再进行回流焊接。该点胶工艺属于电装基础工艺，可提高焊接可靠性，该工艺主要针对表贴电阻、电容、二极管等小型表贴器件，是通用表面组装工艺方法，至今其他器件均未发生类似情况。2016年后新组建的回流设备可提高回流炉内热风稳定性，可保证表贴器件不经点胶固定，就能达到不偏移、掉落等缺陷，因此，2016年6月更改了新的工艺文件，删除了点胶工序。该产品已发生5起二极管断裂故障，均因二极管点红胶发生断裂，因此，点红胶是造成二极管出现应力断裂的原因。

    断裂二极管端口分析无三防漆，焊接设备均在检测有效期内，设备焊接条件、状态和检测记录正常，生产环境在标准要求的范围内，因此排除其影响。焊接过后的二极管均进行AOI自动光学检测和人工目检，清查检验记录和试验记录，产品合格。

    5 故障机理及验证试验

    查询红胶手册，手册中描述，当25℃（室温）～70℃时，红胶的膨胀系数为50K-1，在90℃～150℃时，膨胀系数为160K-1。二极管的玻壳热膨胀系数为8.9～9.5K-1（30℃～380℃范围），二者相差较大，热匹配失衡。

    二极管焊接前，管壳下方点有红胶，在后续使用或试验过程中伴随着温度交替变化（二极管正常工作温度范围：-55℃～150℃）。因红胶与玻壳热膨胀系数相差较大，在温度交替过程中红胶会对玻壳产生较大应力，最终导致玻壳断裂。

    验证一：试验条件-55℃～100℃，同批同筛器件进行150次温度循环，每50次循环观察产品状态，验证数量100只，结果工装1点胶失效1只，工装2不点胶失效0只。

    验证二：对厂家二极管进行四组试验，每组各100只二极管，试验条件为：-55℃～100℃，进行500次温度循环，每50次温循后观察器件状态，结果试验1点胶、三防工艺失效1只，试验2点胶失效2只，试验3不点胶失效0只，试验4加倍点胶量失效1只。

    验证结果：二极管点红胶后，在温度交替过程中因红胶与玻壳热膨胀系数相差较大，红胶对玻壳产生较大应力，最终导致玻壳断裂。

    6 改进措施

    针对以上故障原因，接口模块采用以下方法进行改进：

    （1）优化焊接工艺，对玻壳二极管焊接不再使用红色贴片胶固定二极管;

    （2）举一反三，清查已交付的二极管点红胶产品，对因故障返修的模块全部落实更改，也可在外场直接更改。

    7 结语

    某种接口模块在使用中出现因复位异常导致系统无法正常启动故障，通过复位机理分析，建立复位二极管断裂故障树，对故障分支进行分析，确定二极管故障是因点红胶后，温度交替过程中，玻壳二极管和红胶因膨胀系数不同，红胶对玻壳产生较大应力，最终导致二极管玻壳断裂。通过机理分析和制定不同试验条件试验验证，二极管断裂故障均能复现，最后优化焊接工艺，去除玻壳二极管点胶工艺，同时对其他产品举一反三，改进方法经验证有效，能够预防和避免同类故障重复发生，提高了产品可靠性，降低维修成本和试验费用，在工程应用中能够起到重要的指导意义。

    参考文献：

    [1]陈云，陈恩耀，刘国斌，左丽丽，刘伟.FPGA中关于复位的设计和研究[J].数字技术与应用，2018，36（3）：182-184.

    [2]司焕丽，胡杨川.一种适用于SoC的时钟复位管理电路设计[J].通信技术，2013，46（12）：104-106.

    [3]孙国志，宁寧，张弛.一种片上系统复位电路的设计[J].电子技术应用，2012，38（12）：32-35.

    [4]任思伟，唐代飞，祝晓笑，刘昌举，刘戈扬，翟江皞.基于片上系统的时钟复位设计[J].半导体光电，2017，38（2）：293-298.

    [5]王迷迷，王斌，操凤萍，郑英.实时在线嵌入式系统复位设计[J].计算机工程与科学，2015，37（5）：1019-1023.

    [6]徐丙凤，黄志球，胡军，等.一种状态事件故障树的时间特性分析方法[J].软件学报，2015，26（2）：427-446.

    [7]李莎莎，崔铁军，马云东.基于空间故障树理论的系统可靠性评估方法研究[J].中国安全生产科学技术，2015，11（6）：68-74.

    作者简介：花文波（1986— ），男，汉族，陕西西安人，工程师，研究方向为计算机应用。