進氣壓力溫度傳感器錫晶須的分析

□ 許 晶 □ 王雅南 □ 魏慶山 □ 姚君韋

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1 分析背景

進氣壓力溫度傳感器主要用于檢測汽車進氣歧管內的壓力與溫度。進氣壓力溫度傳感器將電信號傳遞至汽車電子控制單元,汽車電子控制單元利用進氣壓力溫度傳感器的輸出信號,配合轉速信號確定進氣的空氣密度、溫度與質量,調節進氣量,確保發動機正常點火。

隨著新能源汽車的發展,電子元器件已成為汽車電子控制單元中不可或缺的一部分[1]。進氣壓力溫度傳感器作為重要的電子元器件,在汽車發動機上應用,質量問題需要引起重視。

進氣壓力溫度傳感器芯片的針腳鍍層常使用錫鍍層和銀鍍層,芯片針腳錫鍍層產生的錫晶須使進氣壓力溫度傳感器失效的現象層出不窮[2]。時至今日,芯片針腳錫鍍層產生錫晶須,在電子工業界仍是一個亟待解決的問題。

2 進氣壓力溫度傳感器結構

進氣壓力溫度傳感器內部電路如圖1所示。進氣壓力溫度傳感器包括電橋、熱敏電阻、針腳、外圍塑料件等結構,其中,電橋及熱敏電阻在進氣壓力溫度傳感器中有至關重要的作用。

進氣壓力溫度傳感器芯片由厚度為幾微米的硅芯片組成,檢測壓力通過惠斯頓電橋,由芯片上的電路進行處理,形成線性電壓信號輸出。熱敏電阻為負溫度因數電阻,用于進氣壓力溫度傳感器的測溫及對壓力值進行溫度補償。芯片上的針腳用于連接進氣壓力溫度傳感器與芯片內部電路。

▲圖1 進氣壓力溫度傳感器內部電路

3 故障分析

某汽車發動機故障燈亮,經檢查確認為進氣壓力溫度傳感器故障導致。對進氣壓力溫度傳感器內部電路進行分析,確認在芯片2號針腳出現斷路或2號、3號針腳有短路,進行具體排查。

(1) 通過對發動機電子控制單元和線束端進行排查[3],發現原車更換新進氣壓力溫度傳感器后,故障消失。隨后再將故障件換回原位置,故障復現,因此可確定此故障非電子控制單元和線束故障引起。

(2) 分別排查進氣壓力溫度傳感器外觀、殼體底部、芯片接插件處,發現進氣壓力溫度傳感器外觀無破損、浸水、進異物等情況。

(3) 對進氣壓力溫度傳感器芯片故障件的接插件端進行全尺寸檢測[4],檢測結果符合圖紙要求,排除因芯片接插件尺寸問題引起故障。

(4) 對進氣壓力溫度傳感器芯片針腳進行排查,發現無折彎、異常磨損等現象。

(5) 對進氣壓力溫度傳感器芯片內部電路進行焊接檢查。通過X光檢測,進氣壓力溫度傳感器芯片針腳內部無短路、斷線,熱敏電阻引腳無斷線、短路,熱敏電阻無熔化變形。

(6) 對進氣壓力溫度傳感器芯片針腳距離進行檢查。進氣壓力溫度傳感器芯片針腳根部絕緣物無包裹,相鄰針腳間距為0.8 mm,確認相鄰的針腳間距過小,存在浸水、雜質導致短路的風險。

(7) 對進氣壓力溫度傳感器芯片針腳間電阻進行檢查,發現1號、2號針腳,1號、4號針腳,3號、4號針腳間的電阻值均存在超差問題。

顯微鏡下觀察錫晶須,如圖2所示。通過觀察發現,在進氣壓力溫度傳感器芯片2號、3號針腳根部存在錫晶須,錫晶須生長超過針腳之間的距離,導致短路,如圖3所示。剔除錫晶須后進行復測,進氣壓力溫度傳感器芯片針腳間電阻均在正常范圍內,確定為進氣壓力溫度傳感器芯片針腳根部生長錫晶須,導致故障發生。

▲圖2 錫晶須顯微鏡圖像

經過以上排查,為避免芯片針腳錫鍍層產生錫晶須而導致針腳間短路,要求進氣壓力溫度傳感器芯片錫鍍層相鄰針腳之間的最小間距應不小于2 mm。

針對此次故障,對進氣壓力溫度傳感器芯片針腳根部進行修模,用塑料包裹針腳根部裸露的金屬,減小針腳根部應力,同時增大相鄰針腳之間的距離,由原來的0.8 mm增大到2.2 mm。

對進氣壓力溫度傳感器芯片針腳生長錫晶須問題整改后,由錫晶須引起的短路問題沒有再發生,整改效果良好。

▲圖3 錫晶須導致芯片針腳短路

4 錫晶須生長機理

錫晶須的生長主要從芯片針腳錫鍍層開始,具有較長的潛伏期。錫晶須的生長受四方面因素影響。

(1) 基體材料。錫晶須的生長程度因芯片針腳金屬材質的差異而不同。

(2) 鍍層材料。目前僅發現芯片針腳錫鍍層會生長錫晶須,金、銀鍍層不會生長晶須。

(3) 應力集中。一般而言,芯片針腳電鍍之后鍍層內存在殘余應力,通過觀察錫晶須的形狀,分析錫晶須的產生是殘余應力擠壓的結果。

(4) 環境溫度、濕度、氧化等外在環境均能影響錫晶須的生長速率。

錫晶須的生長形態如圖4所示。在靜電或氣流的情況下,錫晶須可能變形彎曲。如果錫晶須生長到一定長度,會導致芯片針腳之間短暫或永久性短路,從而引發故障或嚴重事故。

5 抑制方法探索

由于電子元器件的使用條件和環境不同,到目前為止還未發現可以完全抑制芯片針腳錫鍍層錫晶須生長的方法。

綜合已有研究,當前可以嘗試以下幾種方法。

(1) 錫合金化。用新型錫合金鍍層來替換現有的錫鍍層,抑制錫晶須的生長。但筆者嘗試過很多種類錫合金,目前尚未找到可以避免錫晶須生長的錫合金材料[5]。

(2) 去應力退火。根據芯片針腳錫鍍層內部殘余應力是影響錫晶須生長的主要因素,有人試圖通過退火的方法來消除錫鍍層內部殘余應力[6],但是通過研究試驗,無法確定這一方法是否有效。

▲圖4 錫晶須生長形態

(3) 電鍍層隔離。在芯片針腳上先預鍍一層其它金屬的鍍層,以阻止基體向錫鍍層擴散,從而抑制錫晶須的生長。但有文獻提到,這種方法制得的試樣在熱循環試驗中更容易生長錫晶須,所以還需要進行進一步研究。

6 結束語

汽車電子控制單元使用的進氣壓力溫度傳感器因芯片針腳根部錫鍍層生長錫晶須,引起進氣壓力溫度傳感器信號異常,出現短路故障。通過對進氣壓力溫度傳感器芯片針腳根部裸露部分的金屬用塑料包裹的方案,降低了錫晶須引發短路的風險。

目前,電子元器件在汽車電子控制單元中被廣泛應用,而基于現有理論還不能有效抑制芯片針腳錫鍍層錫晶須的生長,因此需要進一步開展更為全面深入的研究。