國產元器件高可靠裝聯常見問題及其啟示

高偉娜 張明華 隋淞印 王寧寧 李 瑩

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

文 摘 針對航天高可靠、長壽命電子產品用國產元器件，通過近年元器件國產化的應用實踐，從電子裝聯的角度，對元器件國產化過程中的常見共性問題進行了分析和總結，并淺談了元器件國產化過程中這些問題對我們的啟示及后續應注意的問題及相關建議。

0 引言

航天元器件是航天電子產品的重要組成部分，其裝聯的可靠性直接影響著航天電子產品的可靠性。隨著我國航天事業的不斷發展，以美國為首的西方主要軍事大國對我國部分元器件的封鎖和禁運不斷升級，迫使我國必須走自主發展的道路［1］；同時，隨著國產化替代及國產元器件質量、性能的不斷提升和規格系列的不斷完善，從元器件質量可控的角度，單機產品設計也逐漸從采用進口元器件轉移到采用國產元器件。但隨著被動與主動元器件國產化替代的實施，國產元器件在電子產品裝聯過程中逐漸暴露出一些共性問題，本文根據近年國產元器件裝聯的工程實踐，總結目前國產元器件裝聯所面臨的常見問題，針對問題淺談國產化元器件高可靠裝聯應注意的事項并提出相關建議。

1 元器件設計裝聯工藝性不足

1.1 問題特征

元器件結構設計未考慮（或不了解）后續應用的需求，導致給后續裝聯應用帶來不便或引起單機產品長期可靠性問題。

1.2 應用問題

1.2.1 元器件引腳覆蓋防護漆

某TO 封裝三極管本體表面涂覆防護漆，靠近本體側長度約3～5 mm 內的引腳表面也覆蓋一層防護漆，元器件引腳涂漆情況如圖1所示。按照板級裝聯要求，TO 封裝元器件安裝在PCB 上時，元器件本體應距離PCB 表面0.75～3.2 mm 內，此元器件的設計、工藝直接導致板級產品無法使用。

1.2.2 面板電連接器無印制板固定結構

隨著電子產品小型化、高密度化，通過自身引腳直接焊接在印制板上的面板電連接器應用越來越廣泛。但部分通過引腳直接焊接在印制板上的電連接器本體只設計了與結構安裝的法蘭，沒有設計與印制板的固定結構，如圖2所示。按照高可靠板級裝聯要求，對于需同時機械固定和焊接的元器件，應先進行機械固定，然后再進行焊接。此電連接器由于沒有設計與印制板的固定結構，為了避免先焊接后機械固定的問題，很多情況下需額外設計電連接器輔助加固的結構零件，導致此類面板電連接器在后續應用時單機結構設計、工藝繁瑣，增加產品成本。

1.2.3 印制板電連接器氣密性安裝

部分規格印制板電連接器在本體未設計結構凸臺（或外圍一周整體為凸臺）或凸臺高度太小，導致電連接器安裝在印制板上后形成氣密性安裝，如圖3（a）所示。

這種結構設計形式為后續焊接、清洗、多余物清理及檢驗帶來一系列困難。本體與印制板緊密接觸不利于焊接時焊料的順利流動，容易形成透錫不良的不合格焊點；同時后續清洗時不利于清洗劑的流動、多余物的清除，如果存在錫珠等金屬多余物，只能對電連接器進行返修，如圖3（b）、3（c）所示采用不同工藝方法均無法清除電連接器本體與PCB 之間的錫珠。為了解決以上問題，單機設計一般再設計單獨的凸臺結構零件，將印制板電連接器引腳焊接部位人為抬高；同時，在這種元器件結構形式設計情況下，即使是2 排引腳印制板電連接器，為了檢查金屬多余物也需進行X 光照相檢查，增加了板級產品生產的復雜性和生產成本。

1.3 問題啟示

為了保證產品質量，產品在設計時應注重產品的設計工藝性。但對于元器件的設計，除注重元器件自身的設計工藝性外，還應注意其裝聯的工藝性，如元器件結構設計初期就應考慮元器件后續裝聯安裝的可靠性問題、裝聯的工藝方法、使用禁忌等。這對元器件設計提出了更高的要求，但從元器件自身裝聯可靠性的角度，這種要求又是必須的。

2 元器件產品規范（說明書）不夠細化

2.1 問題特征

元器件產品規范中關于元器件裝聯的相關信息不細化、不全面，用戶得到的關于元器件裝聯應用信息較少。

2.2 應用問題

2.2.1 表貼玻封二極管焊后玻璃本體開裂

某國產化表貼玻封二極管，再流焊接后發現部分二極管本體內部出現玻璃分層現象（圖4），玻璃外部未發生裂紋，此現象出現在同一批次產品的不同印制板上，排除受到機械外力的原因。經問題復現，玻璃內部分層與再流焊接過程受到的熱應力有關。經核對產品規范，廠家在規范中沒有關于再流焊接的相關信息、元器件沒有進行過關于再流焊接相關溫度范圍的模擬試驗。裝聯注意事項的缺失會導致元器件在裝聯過程按照常規工藝實施，使用戶關于元器件使用的風險點把控不到位，容易引入產品質量隱患。

2.2.2 塑封器件本體開裂問題

某國產塑封表貼鉭電容，再流焊接后發現有30%左右的電容本體出現起泡、開裂現象，如圖5 所示。經問題復現，由于元器件為塑封非密封結構，在吸潮情況下，再流焊接的高溫導致吸收的水分氣化，使器件結構內部壓力增大而導致塑封料起泡、開裂。經核對產品規范，廠家元器件規范沒有關于器件濕敏等級、再流焊接前需進行預烘處理的相關說明。對于塑封濕敏元器件，板級裝聯通常進行預烘除潮處理，如果廠家說明書沒有關于元器件包裝、儲存、預烘溫度、時間等的相關說明，容易給后端應用帶來質量隱患。

2.2.3 插裝電阻器質量等級標識不規范

某插裝電阻在安裝時發現本體上存在標記點，且標記點的位置不同，如圖6所示。經核對產品規范，未查閱到相關信息。經咨詢廠家，反饋元器件本體上的標記為了區分生產線上不同質量等級的產品，具體標記位置沒有明確規定，標記在任何一端均可，與電阻的阻值讀取順序、精度等無關。廠家很清楚質量等級標識的含義，但如果沒有相關說明或具體的規定，對于用戶來說就會帶來困擾，如產品AOI檢驗。

2.3 問題啟示

相比國外元器件的產品規范，國內元器件的規范在裝聯方面的應用信息相對較少較為普遍，尤其關于元器件的自身結構、材料、工藝信息及其裝聯注意事項等信息更少。通過與元器件廠家交流，導致這種問題的主要原因之一是廠家不清楚或不完全清除元器件在單機端的裝聯工藝情況，針對電裝時元器件自身的薄弱環節分析或試驗驗證不充分，所以沒有進行相關工作或進行了部分工作沒有使問題得以暴露，產品規范中自然也就沒有相關指導信息；另一原因是往往更注重電性能，忽略裝聯指導。

3 元器件裝聯應用驗證的充分性不足

3.1 問題特征

元器件已經經過應用驗證、產品鑒定等程序，但在產品后續應用中仍存在這樣那樣的問題，影響產品質量，增加質量控制成本。

3.2 應用問題

3.2.1 壓接端子長度不足

某壓接型電連接器端子按照廠家產品使用手冊推薦的壓接工具、位置器壓接后發現觀察孔變形，如圖7所示。為了避免觀察孔變形，更改位置器型號壓接又導致端子出線端變形，如圖8所示。后經廠家復查，廠家內部產品例行試驗樣品在壓接后存在同樣的問題，結合多批次產品例行試驗驗證情況，廠家評估觀察孔變形不影響使用。但是按照電連接器壓接標準，端子壓接后觀察孔變形屬不合格品，給用戶對產品的使用帶來困惑。

3.2.2 元器件表面標識脫落

玻璃作為元器件的常用封裝材料被廣泛應用，但多種封裝結構的玻璃封裝元器件本體標識在電裝環節的水清洗后出現脫落、剝離的現象屢次發生，如圖9所示。經核查部分產品的產品規范，發現產品耐溶劑試驗要求不規范，低于國軍標的試驗要求。按照標準規范，產品的標識應具有一定的耐溶劑性能，以便于元器件裝聯后能夠經受清洗溶劑的腐蝕，保證電裝后檢驗、調試、產品可追溯性等環節的順利實施。由于元器件標識的脫落，不得不在水清洗前增加照相環節記錄產品元器件極性的正確性，大大增加了產品質量控制成本。

3.2.3 印制板電連接器焊接后插孔助焊劑殘留

在產品測試過程中出現印制板電連接器插孔端電接觸不良現象，接觸電阻從大于10 MΩ 到十幾歐姆跳動。經復查，印制板電連接器插孔合件與插座基座之間、插孔合件自身均為非密封結構。產品焊接時，助焊劑會沿各縫隙延伸到插孔合件的表面，從而引起對插后的電接觸不良，如圖10所示。

對比國外產品，其主要區別為國外產品是一體式結構，國內產品為壓接型的非密封分體式結構。而針對這種差別，在元器件結構分析及后續的應用驗證均沒有針對后續的裝聯情況采取針對性的分析及驗證。對于通孔焊接的印制板電連接器，在電裝過程中必然會應用助焊劑，如果采用手工焊接，助焊劑的量更加難以精確控制；同時，如果印制板電連接器沒有結構凸臺抬高設計，水清洗難度增加，多余物一但產生就難以清除，也是導致問題多次發生的一個重要原因。

3.3 問題啟示

即使通過應用驗證的元器件，在產品使用過程中還會出現各種各樣的應用問題。這需要元器件廠家在元器件國產化過程中重點關注與國外元器件結構、材料、工藝差異性所可能引起的新問題；需要元器件廠家與用戶多交流、溝通，及時了解產品的應用情況；同時新應用驗證的元器件應針對元器件自身的產品結構特點和后續板級裝聯應用情況，總結以往經驗教訓，有針對性的增加或刪減應用驗證項目。

4 元器件二次篩選問題

4.1 問題特征

元器件篩選項目不全面，導致問題遺留到生產階段；或國產化替代元器件與原進口元器件外形尺寸存在差異、人為操作失誤等原因導致元器件篩選過程本體受損。

4.2 應用問題

4.2.1 需引線成形SOP封裝元器件尺寸缺陷

某需成形SOP 封裝器件本體外形尺寸缺陷導致器件成形后不合格。仔細觀察發現器件底面凸臺不對稱且歪斜（凸臺邊沿距離元器件邊緣最大的相差0.6 mm），如圖11 所示。底面凸臺不對稱且歪斜影響了元器件成形后尺寸，導致元器件成形后梁長不一致且最小長度不滿足要求。如元器件廠家、或二次篩選單位了解后續元器件引線成形的原理，對相關參數有針對性的篩選，就不會將看似合格的產品流轉到單機生產環節。

4.2.2 電連接器本體內部金屬多余物

多規格底部引腳電連接器焊接后X 光照相發現金屬多余物，電連接器解焊后在焊接面未找到多余物，對電連接器本體X 光照相，發現電連接器塑封體內部存在金屬多余物，如圖12所示。根據電裝要求，為了避免焊接后錫珠等金屬多余物引起短路，需對焊接后焊點不可見的底部引腳電連接器進行X 光照相檢查。如元器件廠家、或二次篩選單位了解用戶應用場景，針對元器件自身結構特點及其裝聯特點進行了風險點識別并進行過程管控，則會大大減少此類問題的發生。

4.2.3 BGA焊球表面損傷

某進口BGA 元器件在電裝前發現焊球受損現象，如圖13 所示。經復查為元器件二次篩選前就存在此問題。這種缺陷在電裝后會導致大量的焊點空洞，甚至影響焊點的長期可靠性。經查詢文獻［2］，此問題多為產品老化工裝、測試工裝與元器件的引腳尺寸不匹配、老化或測試工裝超出使用壽命范圍等過程控制不規范所致。此問題雖不是國產器件的篩選問題，但也值得我們進行舉一反三，對我們后續篩選有一定的警示作用。

4.3 問題啟示

元器件國產化替代過程中廠家會出現各種各樣的問題，二次篩選過程中應積累經驗，識別不同封裝器件的薄弱環節，有針對性地對篩選條件和篩選項目進行調整，提高二次篩選的有效性和全面性。同時，元器件篩選應加強過程控制，元器件國產化進程中國產化元器件或多或少與進口器件會存在一些差異，如尺寸公差等，這些細微的差別，如果不加重視有可能引起元器件的損傷。

5 結語

人們對任何新生事物的認識都有一個循序漸進的過程，即使通過應用驗證的元器件，在產品使用過程中還會出現這樣或那樣的應用問題也屬正常。航天高可靠、長壽命電子產品對國產元器件提出了更高的要求，這需要元器件廠家與用戶多交流、溝通，及時了解產品的應用情況，及時對產品進行技術改進、升級，及時完善產品規范；新應用驗證的元器件應針對用戶的應用場景及元器件自身的產品結構、材料和工藝特點，總結以往經驗教訓，完善應用驗證要求，有針對性的增加或刪減應用驗證項目，加強應用驗證方案的有效性；元器件篩選單位在元器件二次篩選時應識別不同封裝器件的薄弱環節，有針對性地對篩選條件和篩選項目進行調整，提高二次篩選的有效性和全面性。同時，考慮不同層級產品（如元器件級和板級產品）的關注點不同，且其生產工藝存在較大差異，建議新規劃元器件在產品設計階段，除元器件設計師、工藝師參與外，還應由板級裝聯領域的工藝專家參與，才能設計出具有良好綜合應用能力的產品，避免后續元器件應用的裝聯工藝性不足。