一種濾波器短路故障分析

毛 飄 寇宇路 曹 德 黨溢群

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

我國機載電子技術經過幾十年的發展，目前已形成一個專業齊全、有一定規模的科研生產體系。機載電子產品的成本占飛機總成本的比例已達30%～40%，機載電子系統也已成為決定飛機作戰效能的重要因素[1]。機載電子產品在調試的過程中可能會暴露出一些質量問題，針對問題準確定位故障，追根溯源地查找故障根本原因，制定糾正措施并舉一反三，是質量工作的重中之重，可有效提升產品可靠性、安全性，降低產品質量成本。本文通過對一型濾波器短路故障進行分析，定位失效原因，制定對應的糾正措施，以規避問題的再次發生。

1 故障確認

該濾波器所在產品在使用過程中出現異常，對濾波器進行電性能測試，發現濾波器引出端與濾波器殼體短路，電阻為0.8 Ω，檢測結果如圖1所示。首先，使用體式顯微鏡對器件外觀進行檢查，未發現焊點橋連、多余物等造成濾波器短路的現象，因此推測器件內部存在異常造成短路。X光透視系統可以利用不同材料厚度或不同材料密度對X光的吸收或透過率不同的原理進行成像，常用來檢測內部缺陷，因此對短路器件進行X射線透視檢查，檢查結果如圖2所示，發現樣品未見斷裂、變形、破損，樣品螺栓處內部存在金屬多余物。

圖1 電性能測試結果

圖2 X射線檢查內部多余物照片

2 故障分析

通過X射線檢查發現器件內部存在多余物，但是無法判斷短路故障是否是由多余物導致的以及多余物是如何引入的，因此需要對濾波器進行物理失效分析。電子元器件物理失效分析是對半導體器件的材料和工藝進行表征和分析的綜合性技術，器件所用材料以及元器件的微區形貌、結構和化學組分與失效有直接關系。物理失效分析的最終目的是通過分析手段完成缺陷表征分析，最終確定失效機理。

2.1 密封性檢查

為確定是否為器件氣密性存在異常導致多余物引入器件內部，對短路濾波器進行粗檢漏試驗，粗檢漏無連續氣泡產生，結果合格，說明產品氣密性良好。

2.2 物理開封

開封短路器件，使用體式顯微鏡進行內部檢查，發現樣品內部存在多余物，如圖3所示。多余物為金屬材料，與X射線檢查結果一致。對多余物、器件殼體、引出端進行電性能測試，三者短路，取出多余物，引出端與外殼開路，說明多余物是造成濾波器短路的原因。

圖3 器件開封照片

2.3 金相切片分析

金相切片分析是通過取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕、觀察等一系列手段獲得焊點橫截面的金相結構的過程[2]。對樣品螺栓部位進行制樣并用金相顯微鏡進行檢查（圖4），結果為：引出端延伸與繞線組用焊料之間有焊料填充，內部存在空洞，并有再流形貌，說明至少進行過二次加熱，且加熱溫度足以融化焊料，該器件在使用時需在引出端用電烙鐵焊接導線，烙鐵設置溫度為360 ℃，焊接時傳遞的熱量可能造成器件內部焊料二次熔融。

圖4 金相切片結果

2.4 能譜分析

對未焊接導線的濾波器進行內部焊點檢測及成分分析，該器件由電容器、電感器、中心引線組成，器件內部共有5個焊點，如圖5所示，分別為1—頂部引出端與中心引線處的焊點；2—電容器與中心引線處的焊點；3—電容器與殼體之間的焊點；4—中心引線與電感器之間的焊點；5—底部引出端與中心引線處的焊點。對各焊點進行能譜分析，焊點1、2、5為高鉛焊料，焊點3、4為低鉛焊料。

圖5 未使用樣品的切片全貌

為查明多余物成分，分析多余物是如何引入的，使用電子掃描顯微鏡對短路器件焊點1、焊點2、導線焊接處、多余物的焊料進行成分分析，分析結果（圖6～圖9）顯示：短路器件焊點1、導線焊接處焊料主要含量為Sn、Pb，錫鉛比例為63%∶37%，為低鉛焊料；焊點2處焊料主要含量為Sn、Pb，焊料屬于高鉛焊料；多余物成分為Sn、Pb，錫鉛比例為50%∶50%。

圖6 焊點1的焊料

圖7 導線焊接處焊料

圖8 焊點2處焊料

圖9 多余物成分

2.5 原因分析

短路器件內部存在金屬多余物，對多余物、器件殼體、引出端進行電性能測試，三者短路，取出金屬多余物，引出端與外殼開路，說明多余物是造成濾波器短路的原因。

對未使用器件進行分析，結果表明器件內部存在5個焊點，對焊點進行成分分析，焊點1成分為高鉛焊料，鉛錫比例約為80%∶20%，焊料熔化溫度約為270 ℃。通過對短路器件進行能譜分析，短路器件焊點1成分為低鉛焊料，錫鉛比例約為63%∶37%，金屬多余物為錫鉛焊料，錫鉛比例約為50%∶50%，該器件焊接導線的焊料成分為Sn63Pb37，與短路器件焊點1成分基本一致，因此判定為導線焊接過程中，烙鐵熱量傳遞至器件內部焊點1時，溫度高于焊料的熔化溫度，導致焊點1發生回流重融，重融的焊料沿著器件引出端的空隙流到器件內部，同時焊接時的焊料也沿著空隙流入到器件內部，高鉛焊料與器件自身的低鉛焊料混合形成鉛錫比例為1∶1的金屬多余物，而該多余物搭接在引出端與濾波器殼體之間，導致引出端與殼體短路，造成故障。

2.6 故障復現

對該問題進行復現，設置電烙鐵溫度為360 ℃，在不施加焊錫的情況下加熱濾波器引出端密封處，在加熱時間較長后密封處焊料熔化，形成空洞，焊料會沿著空洞流入器件內部，形成多余物。

3 糾正措施

該器件多余物引入的原因是導線焊接時，溫度傳遞導致器件密封處的焊料熔化，焊料沿著引出端流入器件內部形成多余物，因此將電烙鐵溫度調整至器件密封處焊料熔點以下可有效避免該問題的發生。密封處焊料成分為高鉛焊料，鉛錫比例約為80%∶20%，焊料熔化溫度約為270 ℃，因此將電烙鐵溫度設置為260 ℃，可有效規避類似問題的再次發生。

4 結束語

本文主要通過對一型濾波器短路故障進行分析，運用密封性檢查、物理開封、金相切片分析、能譜分析等多個手段進行排查，最終查出短路問題的根本原因，并從工藝角度提出了切實有效的糾正措施，可有效避免同類故障的再次發生，同時對同類器件或同類故障問題的分析具有指導、參考意義。