二極管焊接加固工藝改進方法研究

花文波　王旭東　楊彪

摘 要：為研究接口模塊復位異常導致系統無法啟動故障，通過復位機理分析，建立復位二極管斷裂故障樹，分析故障原因并對分析結果進行試驗和故障復現。結果表明：玻殼二極管電裝過程中的點紅膠工藝，在高低溫交替過程中，因玻殼和紅膠膨脹系數差異較大，紅膠會對玻殼產生溫度應力，最終導致玻殼斷裂。改進的電裝去紅膠工藝，經多次高低溫循環試驗驗證，改進措施有效。

關鍵詞：復位;FPGA;工藝改進;故障樹;異常

中圖分類號：TP302文獻標識碼：A

1 緒論

接口模塊用于完成數據的采集、處理和計算等，是一種多應用模式、多種操作系統并存的統型模塊[1-2]。根據應用場景和功能要求、質量屬性等，每類操作系統會根據當前特定需求、采用不同軟件架構來實現[3]。隨著操作系統種類多、規模大、軟件重載，產品復位在系統中作用越來越大。

復位就是系統初始化到一個確定的狀態，穩定后撤銷;或異常時使系統恢復正常工作[4-5]。

接口模塊在應用過程中因復位異常產生無法啟動故障，建立失效器件故障樹，對故障樹各個分支進行分析，提出改進方法，試驗驗證改進措施有效，對提高航空接口模塊產品可靠性，降低地面系統聯試故障率、減少飛機在執行任務時報故有重大意義。

2 接口模塊復位機理

接口模塊復位電路如圖1所示，復位芯片的前端輸入信號由FPGA和模塊硬件復位信號的“與電路”提供，硬件復位經復位芯片輸出得到上電復位信號，輸出至FPGA，經邏輯控制輸出至CPU以及其他芯片。

接口模塊加電工作時，產品無法正常啟動，通過測量，發現FPGA在邏輯加載之后，二極管DONE信號先高后低再高，低電平持續200ms，說明FPGA加載完成后發出的復位信號正常，測量模塊硬件復位信號為3.3V常高，說明無復位信號輸入，FPGA復位對應的二極管故障，導致內部復位信號無法傳輸，放大鏡下觀察二極管焊接情況，發現二極管表面有明顯裂紋。

3 二極管斷裂故障樹

故障樹在分析系統故障模式、查薄弱環節、指導故障維修等工作具有重要的參考價值[6]。自上而下尋找直接和間接原因，并進行分析計算。體現了研究問題的系統性、準確性和預測性[7]。可能導致二極管斷裂的故障樹如圖2所示。

4 二極管故障分析

4.1 元器件缺陷

二極管送失效分析，分析結果：器件電特性正常。因此排除電應力影響，分析結論：在使用中引入異常機械應力，導致玻封體局部產生裂紋，在后續環境應力作用下，二極管玻封體斷裂開路而失效。

經廠家清查，該型號表貼二極管產品年供貨約20萬只。2014年1月起至今，其他使用單位未反饋二極管斷裂故障。廠家對器件的生產過程進行清查，清查結果：在人、機、料、法、環、測等環節均合格。

4.2 設計缺陷

二極管焊接位置周邊空余區域較大，并不與其他器件產生干涉。模擬功能振動，通過建模與仿真，二極管中心振動應力最大為2.1MPa。二極管采用玻璃材料封裝，抗拉極限為40MPa，最小安全系數19，滿足功能振動環境要求。通過以上分析和仿真，排除設計缺陷導致二極管受外部機械應力產生斷裂。

4.3 運輸過程缺陷

產品入所后，所內對二極管按照《電子元器件入所復檢規范》進行入所復檢，對同批大于10支的數量抽取10支進行外觀檢查，檢查采用目視或根據需要使用放大鏡觀察，包括引線、封裝體，檢查損傷、變形、裂縫、剝層、溝痕和空洞等缺陷。該型號二極管自使用以來在入所復檢中未發生外觀不合格情況。排除運輸過程造成器件缺陷。

4.4 篩選過程缺陷

所內二次篩選按照《電子元器件二次篩選規范》進行，檢驗項目包括：外觀初查、常溫初測、溫度循環、常溫中測、高溫反偏老煉、功率老煉、老煉后測試、外觀復查。通過清查二篩過程各項試驗條件及操作規程等，未發現有可能對二極管產生損傷的隱患，因此排除篩選過程造成缺陷。

4.5 焊接缺陷

可能影響二極管器件斷裂的因素包括人員、焊接工藝、焊接工具、焊接材料、人員操作、環境五方面因素。

人員情況，通過對焊接工序人員核查，人員均持持證上崗，未發現違規操作現象。

焊接工藝文件齊全，為現行有效工藝文件，同期產品電裝均采用回流焊接工藝，由于2016年前的回流焊接熱風不可精細控制，圓柱形器件在焊接后易產生偏移、掉器件等問題，按照焊接規范要求，二極管焊接時需通過紅色貼片膠固定后再進行回流焊接。該點膠工藝屬于電裝基礎工藝，可提高焊接可靠性，該工藝主要針對表貼電阻、電容、二極管等小型表貼器件，是通用表面組裝工藝方法，至今其他器件均未發生類似情況。2016年后新組建的回流設備可提高回流爐內熱風穩定性，可保證表貼器件不經點膠固定，就能達到不偏移、掉落等缺陷，因此，2016年6月更改了新的工藝文件，刪除了點膠工序。該產品已發生5起二極管斷裂故障，均因二極管點紅膠發生斷裂，因此，點紅膠是造成二極管出現應力斷裂的原因。

斷裂二極管端口分析無三防漆，焊接設備均在檢測有效期內，設備焊接條件、狀態和檢測記錄正常，生產環境在標準要求的范圍內，因此排除其影響。焊接過后的二極管均進行AOI自動光學檢測和人工目檢，清查檢驗記錄和試驗記錄，產品合格。

5 故障機理及驗證試驗

查詢紅膠手冊，手冊中描述，當25℃（室溫）～70℃時，紅膠的膨脹系數為50K-1，在90℃～150℃時，膨脹系數為160K-1。二極管的玻殼熱膨脹系數為8.9～9.5K-1（30℃～380℃范圍），二者相差較大，熱匹配失衡。

二極管焊接前，管殼下方點有紅膠，在后續使用或試驗過程中伴隨著溫度交替變化（二極管正常工作溫度范圍：-55℃～150℃）。因紅膠與玻殼熱膨脹系數相差較大，在溫度交替過程中紅膠會對玻殼產生較大應力，最終導致玻殼斷裂。

驗證一：試驗條件-55℃～100℃，同批同篩器件進行150次溫度循環，每50次循環觀察產品狀態，驗證數量100只，結果工裝1點膠失效1只，工裝2不點膠失效0只。

驗證二：對廠家二極管進行四組試驗，每組各100只二極管，試驗條件為：-55℃～100℃，進行500次溫度循環，每50次溫循后觀察器件狀態，結果試驗1點膠、三防工藝失效1只，試驗2點膠失效2只，試驗3不點膠失效0只，試驗4加倍點膠量失效1只。

驗證結果：二極管點紅膠后，在溫度交替過程中因紅膠與玻殼熱膨脹系數相差較大，紅膠對玻殼產生較大應力，最終導致玻殼斷裂。

6 改進措施

針對以上故障原因，接口模塊采用以下方法進行改進：

（1）優化焊接工藝，對玻殼二極管焊接不再使用紅色貼片膠固定二極管;

（2）舉一反三，清查已交付的二極管點紅膠產品，對因故障返修的模塊全部落實更改，也可在外場直接更改。

7 結語

某種接口模塊在使用中出現因復位異常導致系統無法正常啟動故障，通過復位機理分析，建立復位二極管斷裂故障樹，對故障分支進行分析，確定二極管故障是因點紅膠后，溫度交替過程中，玻殼二極管和紅膠因膨脹系數不同，紅膠對玻殼產生較大應力，最終導致二極管玻殼斷裂。通過機理分析和制定不同試驗條件試驗驗證，二極管斷裂故障均能復現，最后優化焊接工藝，去除玻殼二極管點膠工藝，同時對其他產品舉一反三，改進方法經驗證有效，能夠預防和避免同類故障重復發生，提高了產品可靠性，降低維修成本和試驗費用，在工程應用中能夠起到重要的指導意義。

參考文獻：

[1]陳云，陳恩耀，劉國斌，左麗麗，劉偉.FPGA中關于復位的設計和研究[J].數字技術與應用，2018，36（3）：182-184.

[2]司煥麗，胡楊川.一種適用于SoC的時鐘復位管理電路設計[J].通信技術，2013，46（12）：104-106.

[3]孫國志，寧寧，張弛.一種片上系統復位電路的設計[J].電子技術應用，2012，38（12）：32-35.

[4]任思偉，唐代飛，祝曉笑，劉昌舉，劉戈揚，翟江皞.基于片上系統的時鐘復位設計[J].半導體光電，2017，38（2）：293-298.

[5]王迷迷，王斌，操鳳萍，鄭英.實時在線嵌入式系統復位設計[J].計算機工程與科學，2015，37（5）：1019-1023.

[6]徐丙鳳，黃志球，胡軍，等.一種狀態事件故障樹的時間特性分析方法[J].軟件學報，2015，26（2）：427-446.

[7]李莎莎，崔鐵軍，馬云東.基于空間故障樹理論的系統可靠性評估方法研究[J].中國安全生產科學技術，2015，11（6）：68-74.

作者簡介：花文波（1986— ），男，漢族，陜西西安人，工程師，研究方向為計算機應用。