TDICCD相機成像系統片式電阻失效分析

曲利新

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

1 引 言

空間電子設備由于工作環境惡劣、不具備在軌維修條件，對產品質量與可靠性的要求高。為提高產品的可靠性，根據電子產品失效機理，在研制、生產階段，對電子產品施加一定的環境應力進行篩選，將其內部的潛在缺陷加速變成故障，就必須進行一系列的環境適應性試驗［1－2］，以便檢驗產品質量，提前發現并剔除有缺陷和損傷的元器件。對有缺陷的元器件要進行失效分析，失效分析通常是指對失效產品為尋找失效原因和預防措施所進行的一切技術活動，它的任務是既要揭示產品功能失效的模式和原因，弄清失效機理和規律，又要找出糾正和預防的措施［3－5］。

2 故障模式及影響分析

某型號TDICCD相機成像系統電路調試正常后進行熱循環試驗，在第6個循環測試時，成像系統在高溫段運行正常，但在低溫（－45℃）時設備運行不正常，出現不斷復位的現象。發現問題后立即停止試驗，對該問題進行分析［6－7］。

在分析排查問題過程中，TDICCD相機成像系統工作情況逐漸惡化。最初設備在低溫－45℃下運行不正常，后來設備在－40℃下運行亦不正常，最后設備在常溫下也不能正常工作。在常溫下用仿真器對設備進行排故時，發現地址線不正常，經測試確認CPU地址線A＜7＞不正常。見圖1。

圖1 CPU地址管腳A＜7＞至3DSR地址管腳A＜5＞電路Fig.1 Schematic of CPU address pin A＜7＞ to 3DSR address pin A＜5＞

經測試確認CPU地址線A＜7＞不正常，對CPU地址線A＜7＞路徑進行進一步分析，建立相機成像系統問題分析故障樹1，如圖2所示。

圖2 相機成像系統問題分析故障樹1Fig.2 Failure tree 1of camera imaging system

對產生故障的頂事件E1的所有可能性進行仔細分析和排查：

（1）底事件X1分析

在6倍放大鏡下仔細觀察PCB印制板導線，印制板導線均完好，未發現異常；再使用萬用表對相應PCB印制板導線進行測量，導通正常，底事件X1印制板導線失效排除。

（2）底事件X2分析

使用萬用表對CPU管腳A＜7＞和3DSR管腳A＜5＞間的電阻進行測量，其阻值為1.5 MΩ。而設計值為43Ω。因此底事件X2地址線電阻R27失效不能被排除，疑為故障點。

（3）底事件X3分析

使用6倍放大鏡對CPU管腳A＜7＞進行目測，未發現虛焊或短路；使用萬用表對CPU的管腳A＜7＞同其周圍管腳和信號地進行測量，未發現短路。底事件X3管腳虛焊排除。

（4）底事件X4分析

使用放大鏡對3DSR管腳A＜5＞進行目測，未發現虛焊或短路；使用萬用表對3DSR的管腳A＜5＞同其周圍管腳和信號地進行測量，未發現短路。底事件X4管腳虛焊排除。

用電烙鐵將地址線電阻R27（43Ω）解焊，再用萬用表在試驗臺對其進行測試，該片式電阻阻值大于20MΩ，呈現為斷路狀態。故此判定為此電阻失效。

為進一步驗證此判斷，設計師由元器件庫房出庫1只二次篩選檢驗合格的同型號、同生產廠家的43Ω片式電阻，電裝人員將其焊接到R27位置上并清潔干凈后，設計師用萬用表進行靜態測試，其阻值為43Ω，呈現為正常狀態；通電測試系統正常。

3 失效模式及影響分析

3.1 失效分析

失效分析是通過對失效器件進行各種測試和物理、化學、金相試驗，確定器件失效的形式（失效模式），分析造成器件失效的物理和化學過程（失效機理），尋找器件失效的原因，制訂糾正和改進措施［8－9］。

DPA（Destructive Physical Analysis，破壞性物理分析），就是失效分析的一種重要方法，其目的是利用物理和化學的方法和手段來確定產品批次是否存在沒有顯露出來的設計、材料和加工缺陷。當發現明顯的重大缺陷時，通常表明制造商在生產過程中失控，該批次需要更換［10］。

SEM（Scanning Electron Microscopy，掃描電子顯微鏡）是DPA的一種儀器，能將光學顯微鏡的放大倍數擴展到幾萬倍。當失效分析時，具有優良的異常點放大能力。

為揭示片式電阻失效的模式和原因，弄清失效機理和規律，找出糾正和預防的措施，將該片式電阻R27（43Ω）和同廠家同批次的未使用43Ω電阻200只送北京元器件可靠性中心進行失效分析。

可靠性中心首先對失效片式電阻進行外部目檢，即用10放大鏡對電阻進行外觀檢查，未發現異常；其次用萬用表進行阻值測量，儀表顯示為開路狀態；第三采用SEM對片式電阻進行仔細檢查，尤其對兩個端電極的連接狀態進行了檢查，發現該電阻器正面的端電極局部脫落，見圖3。

對同批次未使用的200只片式電阻開展了如下工作：

（1）外觀檢查：用10放大鏡檢查，未見異常；

（2）常溫初測，阻值滿足要求；

（3）高溫貯存＋125℃，96h；

（4）溫度沖擊－55℃～＋125℃，5次；

（5）常溫終測，阻值滿足要求，未見異常；

（6）外觀檢查，未見異常；

（7）用掃描電子顯微鏡（SEM）隨機抽取檢查10只，片式電阻端電極均正常。

所以，可靠性中心通過試驗和分析得出如下結論：

（1）失效電阻器表面未見異常；

（2）電測表明該失效電阻器開路；

（3）該失效電阻器開路是由于電阻器正面的端電極局部脫落所致；

（4）使用過程中的異常外力造成失效電阻器端電極局部脫落。

（5）同批次未使用的200只片式電阻通過試驗驗證，抽檢10只進行SEM分析，確定同批次片式電阻并無類問題，因此排除了該電阻失效為生產廠家批次性缺陷的可能性。

圖3 失效電阻照片Fig.3 Photo of failure resistor

3.2 故障定位

根據元器件可靠性中心分析，對片式電阻可能受異常外力環節進行進一步分析排查，建立電阻失效問題分析故障樹2，如圖4所示。對產生頂事件E2的所有可能性進行仔細分析和排查：

（1）底事件X1分析

相機成像系統研制過程中的轉運是采用專用轉運箱專人轉運的［11］，在轉運過程中未發生設備（單板）磕碰現象，因此底事件X1被排除。

（2）底事件X2分析

該片式電阻為CPU管腳A＜7＞同3DSR管腳A＜5＞間的電阻，在其失效前未采用萬用表或示波器等儀器測試過，不存在萬用表或示波器等儀器的表筆對該電阻的外力作用。由失效分析報告分析圖片可以看出，端電極處并未有戳的痕跡。在調試測試過程中，調試測試人員雙人雙崗，未發生過磕碰現象。因此底事件X2被排除。

（3）底事件X3分析

該片式電阻失效是在設備進行溫度循環試驗時發現的，之前設備還經過力學試驗和5個循環的高低溫試驗。該電阻在試驗過程中所受的力為正常的試驗外力，并不屬于異常外力。電阻若在試驗之前未受到其他異常外力，在試驗過程中是不會造成損壞的。因此電阻失效是由于在試驗前受到異常外力作用，在試驗過程中受到振動及高低溫交變的試驗外力使情況惡化而表現出斷路失效。底事件X3可排除。

（4）焊裝過程E3底事件X4分析

相機成像電路的片式電阻均采用SMT熱風回流焊焊裝，焊裝工藝經過一系列工藝鑒定試驗，形成相應的工藝規范。片式電阻焊壞的原因多是由于電阻局部溫度過高，時間過長導致。SMT焊接工藝自動生產程度高，焊點合格率高，焊出的產品一致性好，控溫精度高（±2℃），并且同批次其它元器件都未出現問題。因此SMT焊裝不可能將導致該電阻損壞。底事件X4可排除。

圖4 片式電阻失效問題分析故障樹2Fig.4 Failure tree 2of fault problem analysis of chip resistor

（5）焊裝過程E3底事件X5分析

經查檢驗記錄，該電阻經SMT焊裝完成后由于器件在焊盤上有旋轉偏差而由電裝操作人員返修過。電裝操作人員在返修過程中如未掌握好加熱時間，加熱時間過長，則有可能導致表貼電阻端電極在焊接過程中受到外力而損壞。因此底事件X5不能排除。

通過逐一排查最終認定，R27（43Ω）片式電阻在SMT焊裝完成后，由于歪斜，電裝操作人員對其進行手工解焊，并再次焊接。焊接時電阻兩端的電極不是同時完成焊接的，一端電極焊接時間過長，出現局部過熱情況，由于操作不當導致表貼片式電阻端電極受到異常外力損傷，在調試和溫度循環試驗中逐漸失效開路，最終導致相機成像系統工作不正常。

該故障定位準確，機理清楚，更換此片式電阻后，經力學振動試驗［12］和10個溫度循環試驗驗證，相機成像系統工作正常。

4 結 論

通過對某型號TDICCD相機成像系統在溫度循環試驗中的故障分析和測試，確認故障部位是R27（43Ω）片式電阻；通過對該電阻的失效分析，確認是使用過程中的異常外力造成電阻器端電極局部脫落；異常外力的來源是電裝操作人員在返修過程中焊接時間過長，熱應力導致電阻器端電極局部脫落。返修印刷電路板，更換有缺陷的元件時，可能會加劇自身和相鄰元件遭受附加熱量和熱應力，并可能導致內部裂紋擴展或更大面積的分層，嚴重的還可能導致開路、增加接觸電阻和發生金屬線斷開。所以必須嚴格控制焊接操作時間不大于2s。

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