插装元器件引脚焊点开裂失效分析与控制

GXF360 2019-11-06

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随着我国航天工业的发展，宇航用元器件的电子装联密度不断增大，同时对装联可靠性的要求也不断提高。在电子装联产品中，部分封装元器件通过引脚与焊盘或导线焊接，通过焊点实现电气与机械连接，因而焊接质量直接决定了电子产品的可靠性。对于焊点存在缺陷的产品，装联后初测时焊点可维持连接状态，产品功能正常，但在后续使用中可能会发生缺陷劣化甚至焊点失效的风险，因而需要对焊点进行质量检查，必要时需要根据使用需求进行考核试验。

航天产品在生产与使用过程中，会经历温度交变、外力振动、应力冲击等多种力热环境，元器件引脚焊点会随产品经受应力，带有裂纹缺陷的焊点作为应力集中区与结构薄弱点，经常发生失效。当元器件引脚焊点存在引脚焊接性差或界面金脆等问题时，虽电气性能正常，但焊点内可能已萌生裂纹源，在后续的宇航环境下使用时，存在焊点裂纹扩展甚至断裂的安全隐患。针对存在部分产品初测性能合格，但经历宇航级环境考核试验后发生了焊点失效的情况，本文选取了JW117稳压器器件引脚通孔插装焊点失效案例进行分析。通过对未进行考核试验的同批次初装产品的引脚焊点进行形貌观察、金相与成分检验，对元器件引脚焊点失效的原因进行了分析，并结合失效机理，为提升元器件引脚的焊接可靠性提出了针对性的改进建议。

1. 故障描述

某型号元器件选用了某公司生产的JW117三端稳压器，采用通孔插装焊接方式将三只引脚焊于PCB板上。产品经历力学振动和温度循环试验后，器件的一只引脚发生信号时断时续的失效情况，检查发现失效焊点的焊料与引脚交界处存在贯穿整个焊点的裂纹。上述的失效产品在初装后测试时信号通信正常，但经历宇航级环境考核试验后，发生了器件引脚焊点失效现象。为查明上述元器件引脚焊点开裂原因，对未进行考核试验的同批次产品的元器件引脚焊点进行了复查。检查表明，部分元器件的引脚焊点存在焊接不良缺陷，此类焊点在力热试验过程中存在缺陷扩展并导致焊点开裂失效的风险。

2. 理化检验与结果

（1）宏观检查对未进行考核试验的同批次产品的引脚焊点进行宏观检查。JW117稳压器为插装焊接于PCB板通孔结构，并在焊接后涂覆三防漆进行防护。在不损伤焊点的前提下，采用溶剂法去除部分三防漆后，引脚焊点的靠近器件端形貌如图1所示。由图1可知，焊料与引脚的润湿状态存在差异且器件底面与PCB板表面之间距离存在不同。图1a所示焊点前端，焊料与引脚润湿良好，器件底面距PCB板距离约为1mm；图1b所示的焊点前端存在焊料润湿不良现象，器件底面距PCB板距离约为0.6mm。

下一步，市人大常委会将及时把评议结果反馈给市政府及有关部门，督促其提高对代表建议办理工作的重视程度。未办理完成的重点建议，将由市人大常委会分管副主任继续加强跟踪督办，确保件件有落实，向代表和群众交上满意答卷。

（2）金相检测将上述元器件灌封后沿引脚轴向进行磨抛，并对焊点近元器件端位置焊料与引脚结合状态进行金相检测。由图2可知，JW117器件焊料润湿良好的焊点，焊点前端焊料与引脚呈锐角润湿结合状态，焊接界面焊料与引脚结合良好，未见开裂。润湿不良的焊点中，焊点前端焊料与引脚呈钝角润湿状态，且焊接界面存在开裂现象，焊点开裂的位置及金相形貌如图3所示。裂纹末端的焊料与引脚镀层界面处存在可见金属间化合物层（IMC）。

图1 JW117稳压器引脚形貌

图7为器件经过前处理的引脚表面镀镍层的俄歇电子能谱（AES）测试结果，用于进一步表征镀镍层表层的构成元素与膜层状态。如图7a所示，使用氩离子在2kV加速电压下刻蚀15s后进行AES测试，结果表明镀镍层表面含有大量C元素与O元素，而Ni元素信号较弱。继续使用氩离子刻蚀180s后进行AES测试，结果表明刻蚀后的镀层已无C元素与O元素残留，镀层构成元素正常。AES测试结果表明，器件引脚未搪铅锡位置的镀镍层表面存在较多C元素与O元素。当镀镍层表面的氧化物与碳酸盐较多，且焊接前未对镀层进行去氧化处理时，会使焊料对该位置镀层润湿程度降低，造成焊接性较差情况。由于该器件焊装高度较低，进行过孔焊接时焊料会爬升至已氧化的镀镍层位置。由图4c结果可知，开裂焊点顶端处的引脚镀镍层表面无搪铅锡形成的焊料膜，因而焊接时液态焊料与发生氧化的镀镍层接触时产生了反润湿现象，且焊点在该处的界面结合较差。

图2 焊料润湿良好的引脚金相

图3 焊料润湿不良的引脚金相

图4 JW117稳压器引脚

JW117器件引脚与焊料内均不含Cu元素，引脚焊料界面处的IMC层中包含的Cu元素可能来源于焊盘铜基材。图5为开裂焊点裂纹末端焊料内线扫描结果，扫描位置与扫描方向如图5a中箭头所示，图5b中标注了Cu元素与Ni元素的信号强度变化规律。由线扫描结果中Cu元素分布位置可知，引脚镀镍层表面IMC层含有铜元素，且在焊料内部也存在部分Cu元素富集区域。元素线扫描结果表明，Cu元素由焊盘铜片扩散至引脚焊接界面处，并在镀镍层表面形成金属间化合物，说明焊接过程中焊料已充分熔融。

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3. 失效原因分析

上述JW117器件引脚的焊点电性能未见异常，但未进行考核试验前，部分引脚的焊点顶端均已存在微小裂纹。在经历宇航级的力热冲击考核试验时，因裂纹前端存在应力集中，焊点顶部裂纹会在外力作用下发生扩展，进而导致引脚焊点开裂甚至电气连接功能失效现象。

外观检查结果表明，该器件采用立式插装焊接安装，器件底面距PCB板距离为0.6~1mm，不满足宇航元器件通孔安装要求规定的器件底面距PCB板安装高度为1.3~3.2mm的技术要求。器件插装高度过低，存在通孔焊接时透锡效果差和焊接后对焊点可检性差的隐患。

该器件焊点使用63/37锡铅共晶焊料进行焊接，焊料的化学成分与组成相未见异常。器件的引脚进行焊接前，需要进行前处理。JW117引脚为可伐合金镀镍结构，根据产品插装高度可知，引脚的焊接位置靠近器件底面。由于该型号器件主体外壳表面需涂覆防护漆，部分焊接位置的引脚表面被防护漆覆盖。防护漆覆盖区域或漆膜下的氧化镀镍层焊接性较差，因而在电装前需对引脚根部焊接位置进行去防护漆与搪铅锡的前处理，以提升引脚位置的焊接性。

表1 JW117引脚焊点界面处不同区域EDS分析结果（质量分数）（%）

分析位置 Ni Sn Pb Cu 总计谱图1 100 — — — 100谱图2 10.41 63.47 15.50 10.62 100谱图3 — 5.07 94.93 — 100谱图4 0.63 97.51 1.86 — 100谱图5 100 — — — 100

图5 JW117引脚焊点内线扫描Cu、Ni元素分布结果

图6为经过前处理的3只JW117引脚末端形貌。如图6a所示，该引脚去漆彻底，仅在引脚末端位置存在少量黑色防护漆残留，搪铅锡层前端位置距器件底面＜0.5mm且焊料层均匀完整。图6b所示引脚搪铅锡层前端位置距器件底面约1mm，根据该产品的电装高度判断，存在部分引脚的焊接位置未经搪铅锡处理。图6b中标示区域的构成元素如表2所示，已搪铅锡位置，表面成分正常；未搪铅锡位置镀镍层表面有较多碳元素与氧元素，该处镀镍层已发生氧化反应。图6c中标注区域的能谱测试结果如表2所示，图中标注位置存在少量的防护漆残留且该位置未被铅锡覆盖。

（3）扫描电镜物相分析使用扫描电子显微镜与能谱分析仪，对焊点开裂位置和焊料-引脚焊接界面的形貌与成分进行检查。JW117稳压器焊点开裂位置形貌如图4a所示，开裂界面处的焊料较为疏松，且未与引脚形成良好润湿及结合。图4b所示为引脚与焊料裂纹末端处界面形貌，宏观未开裂界面处有厚度为0.5~1μm的IMC层且IMC层处存在微小开裂，图中图谱标示区域的构成元素如表1所示。结果表明：焊料由富铅相与富锡相两相组成，引脚表面为镀镍层；镀镍层与焊料界面形成的IMC构成元素包含Sn、Pb、Cu、Ni。图4c所示为图4a中的焊点前端位置，器件引脚表面镀层的高倍形貌，该处镀镍层完整；由能谱测试结果可知，镀镍层表面无锡铅焊料残留。

图6 JW117引脚去漆搪锡后形貌

表2 JW117引脚不同区域EDS分析结果（质量分数）（%）

分析位置 Fe Ni Sn Pb C O P Cl 总计谱图1 0.94 17.89 60.11 18.92 2.14 — — — 100谱图2 2.24 84.47 — — 10.77 1.53 0.99 — 100谱图3 — 11.41 4.45 — 66.13 13.96 — 4.05 100

图7 引脚镀镍层表面AES测试结果

理化分析结果表明，电装后未经历力热考核试验的JW117稳压器引脚通孔插装焊点顶端位置已存在裂纹和焊接界面结合不良区域。器件焊点开裂位置的引脚表面镀镍层无铅锡焊料覆盖且镀镍层已发生氧化，焊料与引脚存在反润湿现象。

一些堤防在历史上的大洪水中发生过管涌、崩岸、溃堤等重大险情，或者存在重大安全隐患的，说明该段堤防或者岸坡、基础存在着这样或那样的问题。1989年12月3日安徽同马大堤六合圩堤段117+500处，由于岸坡不稳，加之江水冲刷，发生大崩岸，崩窝长140 m、宽90 m，岸坡、护堤地、堤身全部崩入江中。因此，为了保证堤防的防洪安全和一旦出现险情时抢险的需要，在上述范围内也不宜种树。

例5：Farmers do pay for the structures that they might need to divert the water,

4. 结论与建议

（1）部分JW117引脚根部的焊接位置的前处理效果不佳，存在防护漆残留或已氧化的镀镍层，导致引脚焊接性差。

（2）该器件的插装焊接高度过低，部分焊点前端位于引脚焊接性差的区域时，焊料产生反润湿现象且焊接界面结合差，导致焊点前端开裂。

（3）已开裂焊点裂纹前端为应力集中区并已形成裂纹源，在宇航环境的温度循环或振动冲击下，存在裂纹持续扩展并导致焊点发生断裂失效的风险。

黑暗的时代背景和坎坷的人生经历，造就了方志敏实现渴望光明，为光明奋斗的人生目的。正是有了这种为光明奋斗的人生目的，才有了方志敏为打破旧世界，建立新世界而奋斗一生的坚韧不拔的信仰，视死如归的精神，甘于清贫的本色和行端影直的正气；才有了方志敏为了党的事业成功，为了广大劳苦人民过上幸福生活，不惜牺牲自己生命的理想和信念；才彰显了方志敏对人生目的、意义认识的真谛。

鉴于上述对JW117器件引脚焊点开裂原因的分析及结论，建议在此类通孔插装元器件引脚焊接时，优化结构设计，插装高度需满足宇航元器件通孔安装设计要求；充分识别引脚焊接区域与焊料爬升位置，加强焊接前对元器件引脚前处理的控制，确保引脚焊接位置焊接性良好；改进壳体封装设计，使用无需涂覆防护漆的封装结构，可避免引脚根部防护漆残留导致引脚焊接性差；电装后加强对焊点润湿性与界面结合状态的检查，及时发现焊点前端的微裂纹，避免在宇航环境下裂纹扩展导致的焊点失效。

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