TDICCD相机成像系统片式电阻失效分析

曲利新

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

1 引 言

空间电子设备由于工作环境恶劣、不具备在轨维修条件，对产品质量与可靠性的要求高。为提高产品的可靠性，根据电子产品失效机理，在研制、生产阶段，对电子产品施加一定的环境应力进行筛选，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，就必须进行一系列的环境适应性试验［1－2］，以便检验产品质量，提前发现并剔除有缺陷和损伤的元器件。对有缺陷的元器件要进行失效分析，失效分析通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动，它的任务是既要揭示产品功能失效的模式和原因，弄清失效机理和规律，又要找出纠正和预防的措施［3－5］。

2 故障模式及影响分析

某型号TDICCD相机成像系统电路调试正常后进行热循环试验，在第6个循环测试时，成像系统在高温段运行正常，但在低温（－45℃）时设备运行不正常，出现不断复位的现象。发现问题后立即停止试验，对该问题进行分析［6－7］。

在分析排查问题过程中，TDICCD相机成像系统工作情况逐渐恶化。最初设备在低温－45℃下运行不正常，后来设备在－40℃下运行亦不正常，最后设备在常温下也不能正常工作。在常温下用仿真器对设备进行排故时，发现地址线不正常，经测试确认CPU地址线A＜7＞不正常。见图1。

图1 CPU地址管脚A＜7＞至3DSR地址管脚A＜5＞电路Fig.1 Schematic of CPU address pin A＜7＞ to 3DSR address pin A＜5＞

经测试确认CPU地址线A＜7＞不正常，对CPU地址线A＜7＞路径进行进一步分析，建立相机成像系统问题分析故障树1，如图2所示。

图2 相机成像系统问题分析故障树1Fig.2 Failure tree 1of camera imaging system

对产生故障的顶事件E1的所有可能性进行仔细分析和排查：

（1）底事件X1分析

在6倍放大镜下仔细观察PCB印制板导线，印制板导线均完好，未发现异常；再使用万用表对相应PCB印制板导线进行测量，导通正常，底事件X1印制板导线失效排除。

（2）底事件X2分析

使用万用表对CPU管脚A＜7＞和3DSR管脚A＜5＞间的电阻进行测量，其阻值为1.5 MΩ。而设计值为43Ω。因此底事件X2地址线电阻R27失效不能被排除，疑为故障点。

（3）底事件X3分析

使用6倍放大镜对CPU管脚A＜7＞进行目测，未发现虚焊或短路；使用万用表对CPU的管脚A＜7＞同其周围管脚和信号地进行测量，未发现短路。底事件X3管脚虚焊排除。

（4）底事件X4分析

使用放大镜对3DSR管脚A＜5＞进行目测，未发现虚焊或短路；使用万用表对3DSR的管脚A＜5＞同其周围管脚和信号地进行测量，未发现短路。底事件X4管脚虚焊排除。

用电烙铁将地址线电阻R27（43Ω）解焊，再用万用表在试验台对其进行测试，该片式电阻阻值大于20MΩ，呈现为断路状态。故此判定为此电阻失效。

为进一步验证此判断，设计师由元器件库房出库1只二次筛选检验合格的同型号、同生产厂家的43Ω片式电阻，电装人员将其焊接到R27位置上并清洁干净后，设计师用万用表进行静态测试，其阻值为43Ω，呈现为正常状态；通电测试系统正常。

3 失效模式及影响分析

3.1 失效分析

失效分析是通过对失效器件进行各种测试和物理、化学、金相试验，确定器件失效的形式（失效模式），分析造成器件失效的物理和化学过程（失效机理），寻找器件失效的原因，制订纠正和改进措施［8－9］。

DPA（Destructive Physical Analysis，破坏性物理分析），就是失效分析的一种重要方法，其目的是利用物理和化学的方法和手段来确定产品批次是否存在没有显露出来的设计、材料和加工缺陷。当发现明显的重大缺陷时，通常表明制造商在生产过程中失控，该批次需要更换［10］。

SEM（Scanning Electron Microscopy，扫描电子显微镜）是DPA的一种仪器，能将光学显微镜的放大倍数扩展到几万倍。当失效分析时，具有优良的异常点放大能力。

为揭示片式电阻失效的模式和原因，弄清失效机理和规律，找出纠正和预防的措施，将该片式电阻R27（43Ω）和同厂家同批次的未使用43Ω电阻200只送北京元器件可靠性中心进行失效分析。

可靠性中心首先对失效片式电阻进行外部目检，即用10放大镜对电阻进行外观检查，未发现异常；其次用万用表进行阻值测量，仪表显示为开路状态；第三采用SEM对片式电阻进行仔细检查，尤其对两个端电极的连接状态进行了检查，发现该电阻器正面的端电极局部脱落，见图3。

对同批次未使用的200只片式电阻开展了如下工作：

（1）外观检查：用10放大镜检查，未见异常；

（2）常温初测，阻值满足要求；

（3）高温贮存＋125℃，96h；

（4）温度冲击－55℃～＋125℃，5次；

（5）常温终测，阻值满足要求，未见异常；

（6）外观检查，未见异常；

（7）用扫描电子显微镜（SEM）随机抽取检查10只，片式电阻端电极均正常。

所以，可靠性中心通过试验和分析得出如下结论：

（1）失效电阻器表面未见异常；

（2）电测表明该失效电阻器开路；

（3）该失效电阻器开路是由于电阻器正面的端电极局部脱落所致；

（4）使用过程中的异常外力造成失效电阻器端电极局部脱落。

（5）同批次未使用的200只片式电阻通过试验验证，抽检10只进行SEM分析，确定同批次片式电阻并无类问题，因此排除了该电阻失效为生产厂家批次性缺陷的可能性。

图3 失效电阻照片Fig.3 Photo of failure resistor

3.2 故障定位

根据元器件可靠性中心分析，对片式电阻可能受异常外力环节进行进一步分析排查，建立电阻失效问题分析故障树2，如图4所示。对产生顶事件E2的所有可能性进行仔细分析和排查：

（1）底事件X1分析

相机成像系统研制过程中的转运是采用专用转运箱专人转运的［11］，在转运过程中未发生设备（单板）磕碰现象，因此底事件X1被排除。

（2）底事件X2分析

该片式电阻为CPU管脚A＜7＞同3DSR管脚A＜5＞间的电阻，在其失效前未采用万用表或示波器等仪器测试过，不存在万用表或示波器等仪器的表笔对该电阻的外力作用。由失效分析报告分析图片可以看出，端电极处并未有戳的痕迹。在调试测试过程中，调试测试人员双人双岗，未发生过磕碰现象。因此底事件X2被排除。

（3）底事件X3分析

该片式电阻失效是在设备进行温度循环试验时发现的，之前设备还经过力学试验和5个循环的高低温试验。该电阻在试验过程中所受的力为正常的试验外力，并不属于异常外力。电阻若在试验之前未受到其他异常外力，在试验过程中是不会造成损坏的。因此电阻失效是由于在试验前受到异常外力作用，在试验过程中受到振动及高低温交变的试验外力使情况恶化而表现出断路失效。底事件X3可排除。

（4）焊装过程E3底事件X4分析

相机成像电路的片式电阻均采用SMT热风回流焊焊装，焊装工艺经过一系列工艺鉴定试验，形成相应的工艺规范。片式电阻焊坏的原因多是由于电阻局部温度过高，时间过长导致。SMT焊接工艺自动生产程度高，焊点合格率高，焊出的产品一致性好，控温精度高（±2℃），并且同批次其它元器件都未出现问题。因此SMT焊装不可能将导致该电阻损坏。底事件X4可排除。

图4 片式电阻失效问题分析故障树2Fig.4 Failure tree 2of fault problem analysis of chip resistor

（5）焊装过程E3底事件X5分析

经查检验记录，该电阻经SMT焊装完成后由于器件在焊盘上有旋转偏差而由电装操作人员返修过。电装操作人员在返修过程中如未掌握好加热时间，加热时间过长，则有可能导致表贴电阻端电极在焊接过程中受到外力而损坏。因此底事件X5不能排除。

通过逐一排查最终认定，R27（43Ω）片式电阻在SMT焊装完成后，由于歪斜，电装操作人员对其进行手工解焊，并再次焊接。焊接时电阻两端的电极不是同时完成焊接的，一端电极焊接时间过长，出现局部过热情况，由于操作不当导致表贴片式电阻端电极受到异常外力损伤，在调试和温度循环试验中逐渐失效开路，最终导致相机成像系统工作不正常。

该故障定位准确，机理清楚，更换此片式电阻后，经力学振动试验［12］和10个温度循环试验验证，相机成像系统工作正常。

4 结 论

通过对某型号TDICCD相机成像系统在温度循环试验中的故障分析和测试，确认故障部位是R27（43Ω）片式电阻；通过对该电阻的失效分析，确认是使用过程中的异常外力造成电阻器端电极局部脱落；异常外力的来源是电装操作人员在返修过程中焊接时间过长，热应力导致电阻器端电极局部脱落。返修印刷电路板，更换有缺陷的元件时，可能会加剧自身和相邻元件遭受附加热量和热应力，并可能导致内部裂纹扩展或更大面积的分层，严重的还可能导致开路、增加接触电阻和发生金属线断开。所以必须严格控制焊接操作时间不大于2s。

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