某型低温液体泵控制器焊接金脆缺陷分析与处理

贺凯歌 高勇 黄飞波/空装上海局驻常州地区军事代表室

主题词：低温液体泵；焊接；金脆

1 故障情况

某型低温液体泵控制器为某型飞机新研产品，自2016 年交付使用以来，在外场试飞中多次报告欠压停机故障、辅助电源故障、上电自检故障。根据外场故障数据统计，截至2018 年10 月，该产品在外场先后发生18 起故障，其中因产品焊接金脆缺陷共发生12 起故障，占故障总数的66.67%。

该型低温液体泵控制器是飞机环控系统的重要部件，主要为航电设备（雷达、显控设备等）提供环境温度控制功能。低温液体泵控制器空中失效，将给飞行任务的完成及飞行安全带来较大影响。

2 故障分析

2.1 复试情况

以编号为C1504004 的产品外场报欠压停机故障为例进行分析。

故障产品返厂后，在试验台上进行常规通电性能复试，产品工作正常，未出现报故；将产品安装在振动台上进行随机振动复试，在振动条件下工作3min报出欠压停机故障。与机上故障现象相同，故障复现，实测数据如图1 所示。

2.2 分析检查

产品开盖后，对其内部的印制板组件和各元器件以及电缆线束等外观进行目视检查，未发现异常。为了进一步隔离故障，建立了故障树，如图2 所 示。

在振动条件下，用示波器测量产品的电压检测电路、调理电路以及CPU的基准源输出，输入电压与输出电压均保持恒定，可以排除电压检测电路、调理电路故障以及AD 基准源异常。之后，进行板级故障定位。用一个全新的功能正常的CPU 标准板代替故障产品的控制CPU 板，故障未复现，产品工作正常。因此，将故障定位为控制CPU 板组件工作异常。

图1 C1504004振动条件下复现欠压停机故障

图2 产品运行中报欠压停机的故障树

对故障CPU 板进行进一步检查，用专用工具去除DSP 元件上的电子元件封装胶，目视观察DSP 芯片各管脚均未出现明显移动痕迹，用90 倍放大镜观察发现，DSP 芯片CMDSPF2812 的99脚～119 脚（见图3）、167 脚～174脚上均出现不同程度的脱焊，用针头均可以拨动。其中，5 脚对应逆变器温度，171 脚对应母线电压AD 输入。同时还发现其他部分管脚也存在脱焊情况。

经过上述排查，将故障定位为控制CPU 板上的DSP 管脚脱焊，造成管脚接触不良，引起产品运行中偶尔报欠压故障。

2.3 金相分析

为进一步确认脱焊原因，对脱焊的DSP 印制板组件引脚焊点（来自C1504004 故障件）做金相切片分析（见图4）。

金相切片显示：

1）裂缝位于靠近PCB 焊盘侧的焊料当中。焊料中有大量长条状AuSn 合金，另外，局部区域有大块的Pb 相存在，焊点金相组织粗大。

2）裂缝局部沿着AuSn 合金的边缘以及Pb 相边缘进行扩展，也有裂缝穿过AuSn 合金以及Pb 相的情况，即同时存在沿晶和穿晶两种脆性断裂模式。

3）焊缝钎料体中Au 的浓度（Wt%）高达5.41%，超过限制浓度3%。

图3 DSP2812管脚脱焊

结果表明：脱焊元件的焊料中大量的AuSn 合金以及粗大的金相组织降低了焊点强度，从而导致焊点在应力作用下发生开裂。

2.4 故障定位

针对焊接中出现的金脆现象，对焊接焊料成分、人员操作、焊接设备以及焊接工艺逐项进行排查。

1）焊料成分正常，无多余杂质。

2）焊接操作人员均经过正规培训，具备上岗证，且操作规范。

3）焊接设备均为定期进行检验的合格设备，且在检验有效期内，设备运行状况良好。

4）通过核查产品焊接工艺，发现工艺文件中没有针对镀金元件制定专门的引脚除金工艺，交付产品的DSP 管脚焊接均未进行除金处理，因而在长时间振动环境下，管脚因受力疲劳累积导致脱焊。

3 金脆的机理及工艺要求

3.1 金脆的机理

图4 DSP印制板组件引脚焊点典型金相图片

由于金与铅锡焊料的相容性很好，焊接时如果焊件表面有金涂覆层，金会向焊料锡中迅速扩散，形成 AuSn4等金属化合物，凝固时析出的AuSn4等金属化合物呈现明显的脆性，这个现象被称为金脆现象。如果钎料中Au 的含量超过3%，金脆现象就十分明显，焊点的力学强度大幅下降，在振动条件或温差大的环境下，金脆焊点很容易开裂失效。

3.2 去金的工艺要求

对于镀金引线/焊端的去金规定，美国国军标MIL-STD-2000A（焊接电子和电子组件的标准要求）以及我国航天标准QJ3012-98（航天电子电气产品元器件通孔安装技术要求）中均有相关去金规定：“除表面安装元器件外，应从镀层为2.5μm 或更厚的元器件被焊表面将金层除去，对于表面安装元器件至少应将95%的总镀金表面的金层去除，同时在元器件被焊表面不应再有金层”[1]、“一般情况下，不允许在金镀层上直接进行焊接，引线表层镀金层大于2.5μm 时需要经过两次搪锡处理，小于2.5μm 时应进行一次搪锡处 理”[2]。

由于本公司未对上述要求足够重视，没有将镀金的引线/焊端去金作为禁限工艺，因此导致出现了质量问题。

4 改进措施

一般采用搪锡去金工艺。根据产品的可靠性要求，目前主要采用手工搪锡法、静止浸锡法、流动浸锡法、回流搪锡法四种方法。一般的民用产品且元器件数量较少时，可采用手工搪锡方式；对于数量较大且可靠性要求较高的产品，一般采用锡锅法或流动浸锡法；对于无引线器件或陶瓷封装器件，则采用回流搪锡法进行处理。

低温液体泵控制器DSP 芯片焊接为无引线器件（表面贴装元器件），适用于回流搪锡法去金，改进焊接工艺的纠正措施如下。

1）镀金元件焊接前增加除金工艺，制定工艺规范（搪锡温度：240℃；搪锡时间：表贴器件1 ～2s，通孔器件3 ～4s；搪锡次数：2 次），对镀金元器件引脚进行去金。

2）后续产品采用回流焊接工艺，并在焊接完成后增加X 光检测要求。

落实改进措施后，对增加除金工艺的焊接样品进行电子显微镜分析以及X射线能谱定量分析。分析结果表明，引线焊端金含量浓度最高处约为2%，除金效果良好，小于3Wt%（限制浓度），大大降低了金脆隐患的发生。

对改进后的产品按照产品地面鉴定试验大纲规定的振动量值进行耐久振动试验，依次进行了每轴向40h、累计120h 的振动试验。产品每进行10h 振动后均进行性能复试，产品复试结果均满足技术协议要求。

5 结束语

镀金元器件目前广泛应用于各型产品中，焊接前不除金极易产生质量隐患，甚至引发质量安全问题，严重影响电子产品的质量和可靠性。随着对金脆危害研究的进一步深入，以及质量问题在航天航空高可靠性产品上的不断暴露，对镀金层的工艺要求必将趋于更加严格化的管理。