賀凱歌 高勇 黃飛波/空裝上海局駐常州地區(qū)軍事代表室

主題詞：低溫液體泵；焊接；金脆

1 故障情況

某型低溫液體泵控制器為某型飛機(jī)新研產(chǎn)品，自2016 年交付使用以來(lái)，在外場(chǎng)試飛中多次報(bào)告欠壓停機(jī)故障、輔助電源故障、上電自檢故障。根據(jù)外場(chǎng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018 年10 月，該產(chǎn)品在外場(chǎng)先后發(fā)生18 起故障，其中因產(chǎn)品焊接金脆缺陷共發(fā)生12 起故障，占故障總數(shù)的66.67%。

該型低溫液體泵控制器是飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的重要部件，主要為航電設(shè)備（雷達(dá)、顯控設(shè)備等）提供環(huán)境溫度控制功能。低溫液體泵控制器空中失效，將給飛行任務(wù)的完成及飛行安全帶來(lái)較大影響。

2 故障分析

2.1 復(fù)試情況

以編號(hào)為C1504004 的產(chǎn)品外場(chǎng)報(bào)欠壓停機(jī)故障為例進(jìn)行分析。

故障產(chǎn)品返廠(chǎng)后，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行常規(guī)通電性能復(fù)試，產(chǎn)品工作正常，未出現(xiàn)報(bào)故；將產(chǎn)品安裝在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)復(fù)試，在振動(dòng)條件下工作3min報(bào)出欠壓停機(jī)故障。與機(jī)上故障現(xiàn)象相同，故障復(fù)現(xiàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1 所示。

2.2 分析檢查

產(chǎn)品開(kāi)蓋后，對(duì)其內(nèi)部的印制板組件和各元器件以及電纜線(xiàn)束等外觀進(jìn)行目視檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。為了進(jìn)一步隔離故障，建立了故障樹(shù)，如圖2 所 示。

在振動(dòng)條件下，用示波器測(cè)量產(chǎn)品的電壓檢測(cè)電路、調(diào)理電路以及CPU的基準(zhǔn)源輸出，輸入電壓與輸出電壓均保持恒定，可以排除電壓檢測(cè)電路、調(diào)理電路故障以及AD 基準(zhǔn)源異常。之后，進(jìn)行板級(jí)故障定位。用一個(gè)全新的功能正常的CPU 標(biāo)準(zhǔn)板代替故障產(chǎn)品的控制CPU 板，故障未復(fù)現(xiàn)，產(chǎn)品工作正常。因此，將故障定位為控制CPU 板組件工作異常。

圖1 C1504004振動(dòng)條件下復(fù)現(xiàn)欠壓停機(jī)故障

圖2 產(chǎn)品運(yùn)行中報(bào)欠壓停機(jī)的故障樹(shù)

對(duì)故障CPU 板進(jìn)行進(jìn)一步檢查，用專(zhuān)用工具去除DSP 元件上的電子元件封裝膠，目視觀察DSP 芯片各管腳均未出現(xiàn)明顯移動(dòng)痕跡，用90 倍放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)，DSP 芯片CMDSPF2812 的99腳～119 腳（見(jiàn)圖3）、167 腳～174腳上均出現(xiàn)不同程度的脫焊，用針頭均可以撥動(dòng)。其中，5 腳對(duì)應(yīng)逆變器溫度，171 腳對(duì)應(yīng)母線(xiàn)電壓AD 輸入。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)其他部分管腳也存在脫焊情況。

經(jīng)過(guò)上述排查，將故障定位為控制CPU 板上的DSP 管腳脫焊，造成管腳接觸不良，引起產(chǎn)品運(yùn)行中偶爾報(bào)欠壓故障。

2.3 金相分析

為進(jìn)一步確認(rèn)脫焊原因，對(duì)脫焊的DSP 印制板組件引腳焊點(diǎn)（來(lái)自C1504004 故障件）做金相切片分析（見(jiàn)圖4）。

金相切片顯示：

1）裂縫位于靠近PCB 焊盤(pán)側(cè)的焊料當(dāng)中。焊料中有大量長(zhǎng)條狀A(yù)uSn 合金，另外，局部區(qū)域有大塊的Pb 相存在，焊點(diǎn)金相組織粗大。

2）裂縫局部沿著AuSn 合金的邊緣以及Pb 相邊緣進(jìn)行擴(kuò)展，也有裂縫穿過(guò)AuSn 合金以及Pb 相的情況，即同時(shí)存在沿晶和穿晶兩種脆性斷裂模式。

3）焊縫釬料體中Au 的濃度（Wt%）高達(dá)5.41%，超過(guò)限制濃度3%。

圖3 DSP2812管腳脫焊

結(jié)果表明：脫焊元件的焊料中大量的AuSn 合金以及粗大的金相組織降低了焊點(diǎn)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)在應(yīng)力作用下發(fā)生開(kāi)裂。

2.4 故障定位

針對(duì)焊接中出現(xiàn)的金脆現(xiàn)象，對(duì)焊接焊料成分、人員操作、焊接設(shè)備以及焊接工藝逐項(xiàng)進(jìn)行排查。

1）焊料成分正常，無(wú)多余雜質(zhì)。

2）焊接操作人員均經(jīng)過(guò)正規(guī)培訓(xùn)，具備上崗證，且操作規(guī)范。

3）焊接設(shè)備均為定期進(jìn)行檢驗(yàn)的合格設(shè)備，且在檢驗(yàn)有效期內(nèi)，設(shè)備運(yùn)行狀況良好。

4）通過(guò)核查產(chǎn)品焊接工藝，發(fā)現(xiàn)工藝文件中沒(méi)有針對(duì)鍍金元件制定專(zhuān)門(mén)的引腳除金工藝，交付產(chǎn)品的DSP 管腳焊接均未進(jìn)行除金處理，因而在長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)環(huán)境下，管腳因受力疲勞累積導(dǎo)致脫焊。

3 金脆的機(jī)理及工藝要求

3.1 金脆的機(jī)理

圖4 DSP印制板組件引腳焊點(diǎn)典型金相圖片

由于金與鉛錫焊料的相容性很好，焊接時(shí)如果焊件表面有金涂覆層，金會(huì)向焊料錫中迅速擴(kuò)散，形成 AuSn4等金屬化合物，凝固時(shí)析出的AuSn4等金屬化合物呈現(xiàn)明顯的脆性，這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為金脆現(xiàn)象。如果釬料中Au 的含量超過(guò)3%，金脆現(xiàn)象就十分明顯，焊點(diǎn)的力學(xué)強(qiáng)度大幅下降，在振動(dòng)條件或溫差大的環(huán)境下，金脆焊點(diǎn)很容易開(kāi)裂失效。

3.2 去金的工藝要求

對(duì)于鍍金引線(xiàn)/焊端的去金規(guī)定，美國(guó)國(guó)軍標(biāo)MIL-STD-2000A（焊接電子和電子組件的標(biāo)準(zhǔn)要求）以及我國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)QJ3012-98（航天電子電氣產(chǎn)品元器件通孔安裝技術(shù)要求）中均有相關(guān)去金規(guī)定：“除表面安裝元器件外，應(yīng)從鍍層為2.5μm 或更厚的元器件被焊表面將金層除去，對(duì)于表面安裝元器件至少應(yīng)將95%的總鍍金表面的金層去除，同時(shí)在元器件被焊表面不應(yīng)再有金層”[1]、“一般情況下，不允許在金鍍層上直接進(jìn)行焊接，引線(xiàn)表層鍍金層大于2.5μm 時(shí)需要經(jīng)過(guò)兩次搪錫處理，小于2.5μm 時(shí)應(yīng)進(jìn)行一次搪錫處 理”[2]。

由于本公司未對(duì)上述要求足夠重視，沒(méi)有將鍍金的引線(xiàn)/焊端去金作為禁限工藝，因此導(dǎo)致出現(xiàn)了質(zhì)量問(wèn)題。

4 改進(jìn)措施

一般采用搪錫去金工藝。根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求，目前主要采用手工搪錫法、靜止浸錫法、流動(dòng)浸錫法、回流搪錫法四種方法。一般的民用產(chǎn)品且元器件數(shù)量較少時(shí)，可采用手工搪錫方式；對(duì)于數(shù)量較大且可靠性要求較高的產(chǎn)品，一般采用錫鍋法或流動(dòng)浸錫法；對(duì)于無(wú)引線(xiàn)器件或陶瓷封裝器件，則采用回流搪錫法進(jìn)行處理。

低溫液體泵控制器DSP 芯片焊接為無(wú)引線(xiàn)器件（表面貼裝元器件），適用于回流搪錫法去金，改進(jìn)焊接工藝的糾正措施如下。

1）鍍金元件焊接前增加除金工藝，制定工藝規(guī)范（搪錫溫度：240℃；搪錫時(shí)間：表貼器件1 ～2s，通孔器件3 ～4s；搪錫次數(shù)：2 次），對(duì)鍍金元器件引腳進(jìn)行去金。

2）后續(xù)產(chǎn)品采用回流焊接工藝，并在焊接完成后增加X(jué) 光檢測(cè)要求。

落實(shí)改進(jìn)措施后，對(duì)增加除金工藝的焊接樣品進(jìn)行電子顯微鏡分析以及X射線(xiàn)能譜定量分析。分析結(jié)果表明，引線(xiàn)焊端金含量濃度最高處約為2%，除金效果良好，小于3Wt%（限制濃度），大大降低了金脆隱患的發(fā)生。

對(duì)改進(jìn)后的產(chǎn)品按照產(chǎn)品地面鑒定試驗(yàn)大綱規(guī)定的振動(dòng)量值進(jìn)行耐久振動(dòng)試驗(yàn)，依次進(jìn)行了每軸向40h、累計(jì)120h 的振動(dòng)試驗(yàn)。產(chǎn)品每進(jìn)行10h 振動(dòng)后均進(jìn)行性能復(fù)試，產(chǎn)品復(fù)試結(jié)果均滿(mǎn)足技術(shù)協(xié)議要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

鍍金元器件目前廣泛應(yīng)用于各型產(chǎn)品中，焊接前不除金極易產(chǎn)生質(zhì)量隱患，甚至引發(fā)質(zhì)量安全問(wèn)題，嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。隨著對(duì)金脆危害研究的進(jìn)一步深入，以及質(zhì)量問(wèn)題在航天航空高可靠性產(chǎn)品上的不斷暴露，對(duì)鍍金層的工藝要求必將趨于更加嚴(yán)格化的管理。