进气压力温度传感器锡晶须的分析

□ 许 晶 □ 王雅南 □ 魏庆山 □ 姚君韦

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1 分析背景

进气压力温度传感器主要用于检测汽车进气歧管内的压力与温度。进气压力温度传感器将电信号传递至汽车电子控制单元,汽车电子控制单元利用进气压力温度传感器的输出信号,配合转速信号确定进气的空气密度、温度与质量,调节进气量,确保发动机正常点火。

随着新能源汽车的发展,电子元器件已成为汽车电子控制单元中不可或缺的一部分[1]。进气压力温度传感器作为重要的电子元器件,在汽车发动机上应用,质量问题需要引起重视。

进气压力温度传感器芯片的针脚镀层常使用锡镀层和银镀层,芯片针脚锡镀层产生的锡晶须使进气压力温度传感器失效的现象层出不穷[2]。时至今日,芯片针脚锡镀层产生锡晶须,在电子工业界仍是一个亟待解决的问题。

2 进气压力温度传感器结构

进气压力温度传感器内部电路如图1所示。进气压力温度传感器包括电桥、热敏电阻、针脚、外围塑料件等结构,其中,电桥及热敏电阻在进气压力温度传感器中有至关重要的作用。

进气压力温度传感器芯片由厚度为几微米的硅芯片组成,检测压力通过惠斯顿电桥,由芯片上的电路进行处理,形成线性电压信号输出。热敏电阻为负温度因数电阻,用于进气压力温度传感器的测温及对压力值进行温度补偿。芯片上的针脚用于连接进气压力温度传感器与芯片内部电路。

▲图1 进气压力温度传感器内部电路

3 故障分析

某汽车发动机故障灯亮,经检查确认为进气压力温度传感器故障导致。对进气压力温度传感器内部电路进行分析,确认在芯片2号针脚出现断路或2号、3号针脚有短路,进行具体排查。

(1) 通过对发动机电子控制单元和线束端进行排查[3],发现原车更换新进气压力温度传感器后,故障消失。随后再将故障件换回原位置,故障复现,因此可确定此故障非电子控制单元和线束故障引起。

(2) 分别排查进气压力温度传感器外观、壳体底部、芯片接插件处,发现进气压力温度传感器外观无破损、浸水、进异物等情况。

(3) 对进气压力温度传感器芯片故障件的接插件端进行全尺寸检测[4],检测结果符合图纸要求,排除因芯片接插件尺寸问题引起故障。

(4) 对进气压力温度传感器芯片针脚进行排查,发现无折弯、异常磨损等现象。

(5) 对进气压力温度传感器芯片内部电路进行焊接检查。通过X光检测,进气压力温度传感器芯片针脚内部无短路、断线,热敏电阻引脚无断线、短路,热敏电阻无熔化变形。

(6) 对进气压力温度传感器芯片针脚距离进行检查。进气压力温度传感器芯片针脚根部绝缘物无包裹,相邻针脚间距为0.8 mm,确认相邻的针脚间距过小,存在浸水、杂质导致短路的风险。

(7) 对进气压力温度传感器芯片针脚间电阻进行检查,发现1号、2号针脚,1号、4号针脚,3号、4号针脚间的电阻值均存在超差问题。

显微镜下观察锡晶须,如图2所示。通过观察发现,在进气压力温度传感器芯片2号、3号针脚根部存在锡晶须,锡晶须生长超过针脚之间的距离,导致短路,如图3所示。剔除锡晶须后进行复测,进气压力温度传感器芯片针脚间电阻均在正常范围内,确定为进气压力温度传感器芯片针脚根部生长锡晶须,导致故障发生。

▲图2 锡晶须显微镜图像

经过以上排查,为避免芯片针脚锡镀层产生锡晶须而导致针脚间短路,要求进气压力温度传感器芯片锡镀层相邻针脚之间的最小间距应不小于2 mm。

针对此次故障,对进气压力温度传感器芯片针脚根部进行修模,用塑料包裹针脚根部裸露的金属,减小针脚根部应力,同时增大相邻针脚之间的距离,由原来的0.8 mm增大到2.2 mm。

对进气压力温度传感器芯片针脚生长锡晶须问题整改后,由锡晶须引起的短路问题没有再发生,整改效果良好。

▲图3 锡晶须导致芯片针脚短路

4 锡晶须生长机理

锡晶须的生长主要从芯片针脚锡镀层开始,具有较长的潜伏期。锡晶须的生长受四方面因素影响。

(1) 基体材料。锡晶须的生长程度因芯片针脚金属材质的差异而不同。

(2) 镀层材料。目前仅发现芯片针脚锡镀层会生长锡晶须,金、银镀层不会生长晶须。

(3) 应力集中。一般而言,芯片针脚电镀之后镀层内存在残余应力,通过观察锡晶须的形状,分析锡晶须的产生是残余应力挤压的结果。

(4) 环境温度、湿度、氧化等外在环境均能影响锡晶须的生长速率。

锡晶须的生长形态如图4所示。在静电或气流的情况下,锡晶须可能变形弯曲。如果锡晶须生长到一定长度,会导致芯片针脚之间短暂或永久性短路,从而引发故障或严重事故。

5 抑制方法探索

由于电子元器件的使用条件和环境不同,到目前为止还未发现可以完全抑制芯片针脚锡镀层锡晶须生长的方法。

综合已有研究,当前可以尝试以下几种方法。

(1) 锡合金化。用新型锡合金镀层来替换现有的锡镀层,抑制锡晶须的生长。但笔者尝试过很多种类锡合金,目前尚未找到可以避免锡晶须生长的锡合金材料[5]。

(2) 去应力退火。根据芯片针脚锡镀层内部残余应力是影响锡晶须生长的主要因素,有人试图通过退火的方法来消除锡镀层内部残余应力[6],但是通过研究试验,无法确定这一方法是否有效。

▲图4 锡晶须生长形态

(3) 电镀层隔离。在芯片针脚上先预镀一层其它金属的镀层,以阻止基体向锡镀层扩散,从而抑制锡晶须的生长。但有文献提到,这种方法制得的试样在热循环试验中更容易生长锡晶须,所以还需要进行进一步研究。

6 结束语

汽车电子控制单元使用的进气压力温度传感器因芯片针脚根部锡镀层生长锡晶须,引起进气压力温度传感器信号异常,出现短路故障。通过对进气压力温度传感器芯片针脚根部裸露部分的金属用塑料包裹的方案,降低了锡晶须引发短路的风险。

目前,电子元器件在汽车电子控制单元中被广泛应用,而基于现有理论还不能有效抑制芯片针脚锡镀层锡晶须的生长,因此需要进一步开展更为全面深入的研究。