玻璃封装元件的开裂问题探讨
摘 要：玻璃封装的元件，如二极管、稳压管在产品环境应力筛选（以下简称ESS）时发生开裂现象，并且不属个别现象，不同批次不同产品上均发生此类问题，因而归结为玻璃封装元件的开裂问题，对其进行开裂原因的探讨并提出解决措施。
关键词：玻璃封装元件 电应力 ESS 热膨胀系数
Abstract：The component that glass seals to pack, such as the diode, steady press the tube at the product environment stress sieving( call the ESS as follows) take place to the phenomenon of open , and don't belong to the individual phenomenon, different product of different batch up all take place this kind of problem, as a result return the knot to seal to pack the component to the problem of open for the glass, as to it's carry on the study that the reason of opens and put forward to resolve the measure.
Key words：The glass seals to pack the component an electric stress Environment stress sieving Coefficient of the therm al expansion
1玻璃封装元件
此类元件为玻璃封装，一般重0.05 g，直径1.85mm～2.02 mm，玻壳是在600 ℃高温下烧结完成,然后在冷氮下强冷，玻璃釉外面是烤瓷漆，与玻璃釉结合非常紧密。
元件厂家根据GJB128A例试做了-55～150度20个循环的试验，装焊前进行了二次筛选，筛选条件为-55 ℃～125 ℃ 5次循环。
2 开裂情况
元件装配在PCB上后，经过清洗、三防，通电测试、ESS后，出现不同位置二极管本体开裂现象：本体轴向开裂，其内部PN结完好。
3 故障定位
将开裂元件进行金相分析，通过开裂面剖面纹路分析，元件受到了机械或热应力，而这些应力产生的可能因素是：
a） 温度变化引起二极管玻璃体与电极之间存在内部应力，两种应力大到一定程度导致二极管玻璃体因过应力而沿平行于二极管轴线方向破裂；
b） 二极管装焊过程中由于引脚成形、剪切致使元件引脚、本体受力产生微裂纹，经ESS后裂纹进一步恶化而开裂；
c） 二极管安装不当造成使元件引脚、本体受力产生微裂纹，经ESS后裂纹进一步恶化而开裂；
d） 温度循环试验中二极管旁边的电阻体热胀冷缩产生形变，对二极管玻璃体产生平行于PCB面、垂直于二极管轴线方向的应力；
e） 振动量级过大，元件与PCB共振产生垂直与PCB方向的拉力，二极管沿轴线两侧本体底部与PCB的三防漆粘结力不均，导致一侧仍粘在PCB上，另一侧拉开；
f） 二极管受某种外力影响，外力大于本体内部结合力而导致本体拉裂，比如三防漆在低温有收缩应力；低温时通电对元件应力。
4 元件内部应力问题
关于二极管玻璃体与电极之间是否存在内部应力并且受温度影响而进一步开裂的问题，其实就是元件本身的质量问题。
4.1将开裂的同批次未安装二极管单独进行温度循环试验：高温≥175 ℃，低温≤-60 ℃，循环10次，试验合格。说明器件本身的质量是合格的。
4.2 二极管生产厂家分析及试验验证
生产厂家对开裂二极管做了以下试验：
a）交变潮热试验
为考核管体破裂期间的密封性，对13只开裂二极管作了交变潮热试验，连续进行了10次循环，24h一次循环，试验合格。
b）热冲击（液体-液体）试验
为考核管体破裂器件对热应力的耐受程度，对13只开裂二极管作了热冲击试验，试验合格。
c）温度循环试验
抽取了同类产品1000只，作了温度循环试验，高温≥175 ℃，低温≤-60 ℃，循环10次，试验合格。
生产厂家结论：器件本身的质量是合格的，同时即使外壳破损的器件也能够承受一定的环境应力，其功能特性无损坏迹象。
无论是所内验证还是厂家验证，都说明器件本身的质量是合格的。
5 元件引脚成形、剪切不当
当剪切元件引脚时选用钳子不锐利；当元件引脚成形时，成形专用工具使元件引脚有明显的刻痕，或形变超过引脚直径的10%，或未固定住本体根部而使引脚在成形、剪切中有扭转动作时，冲击力将传递给元件内部致使元件内部产生微裂纹，在环境试验时，施加的应力使微裂纹扩展，进一步恶化，最终导致本体开裂。
检查装焊过程中使用的成形、剪切工装，并采用此工装进行二极管的成形、剪切后检查元件引脚无裂痕或形变。将此元件装焊于PCB后进行ESS，检查无开裂现象，说明元件在装焊过程中成形、剪切工序正常。
6 元件安装不当
元器件安装有几种方式：贴冷板安装、贴印制板安装、抬高0.08mm安装；单独安装；两边有电阻紧靠的安装。
通过试验及初步分析发现，在冷板上安装且没有电阻挤压的二极管也存在二极管开裂，说明二极管开裂也可能与冷板有关系，或还可能有其他方面的共性原因。
进一步验证，将二极管按如下工艺装配(该安装工艺可使二极管周围有足够的间隙，二极管完全可不受挤压):
a）开裂二极管底部无冷板，处于两个电阻之间的，将二极管贴板安装，相邻电阻抬高1mm安装。
b）开裂二极管独立位于冷板上的，抬高0.3 mm安装。
c）开裂二极管位于冷板上且处于2个器件之间的，二极管抬高2mm安装并底部涂胶处理。
ESS试验结束后分解检查未发现二极管开裂。
通过进一步试验可知，器件外壳破损主要可能由于周边介质在环境变化中形成的应力大小有关，通过放大二极管安装间隙（与相邻电阻以及与冷板），应可避免二极管开裂问题。这种外力可能来自周边器件或冷板或者固化后的三防材料等，也有可能与一定条件下的振动因素有关，所以继续进行试验。
7 周围器件热胀冷缩，挤压二极管
由于PCB设计的通用规则是相邻元件之间应该有0.2 mm间隙，而本次开裂情况中的确存在元件之间间距过于紧凑仅为0.08 mm以及元件贴散热板安装的情况。因此通过对装配在PCB上周围器件的热膨胀系数的计算、试验来确定是否存在挤压二极管的应力。
理论计算：二极管周围器件一般为金属膜电阻、精密电阻。金属膜电阻内部是氧化铝陶瓷，外敷金属膜，热膨胀系数忽略不计。精密电阻外层为环氧膜塑料，热膨胀系数2*10-5,；温升50度约膨胀0.003 mm。二极管外层为玻璃釉 ，热膨胀系数10-7,；温升50度约膨胀0.00003 mm。本案中PCB设计时，二极管与周围器件的间距为0.08 mm，而通过以上计算，元件膨胀后仍未达到其本身存在的间距0.08 mm。
实际试验：
①方案：将二极管分成3组，其中2组分别装于两个电阻中间，一组二极管与相邻的电阻间隔0.2mm，一组二极管与相邻的电阻间隔0.08mm；第3组单个二极管贴散热板安装。按常规工艺进行清洗、三防。
②试验：按ESS试验要求进行。
③结果：第1组二极管无破裂现象，第2组，第3组弟二极管有破裂现象（数量多）。
④分析：通过放大二极管安装间隙，能避免二极管开裂，但第3组单个安装的二极管开裂说明还有其他应力存在如周边介质在环境变化中形成的应力，这种外力可能来自周边器件或散热板或者固化后的三防材料等，也有可能与一定条件下的振动因素有关，所以继续进行试验。
8 确定二极管开裂是否与振动有关
ESS试验施加的振动量级为6.06 g时，试验中测得传导到产品模块上均方根加速度最高为25 g～30 g，超过了GJB128A中半导体器件的验收振动试验量值20 g。初步分析,振动试验局部量值也有可能使二极管受到过应力损伤，经温度循环进一步激发，导致二极管开裂。
实际试验：
①试验：选取5台产品进行ESS试验中的振动试验，选取另5台进行ESS试验中的二十个温度循环试验。
②结果：前5台产品中二极管无一开裂现象。后5台产品中有二极管开裂现象。
③分析：二极管开裂肯定不是由振动引起。温度应力是二极管开裂的一个因素。
二极管开裂与产品是否通电无关，不通电的也会出现二极管开裂。
9 确定二极管受到的外力是否为三防漆或电应力
选取10台产品继续进行ESS试验中的二十个温度循环试验，其中5台涂覆三防，5台不涂覆三防，仅在试验中进行通电检测。
试验结果为：前5台二极管有开裂现象，后5台二极管无开裂现象。
10 二极管开裂试验汇总表表1
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元件
内部应力
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元件引脚
成形、剪切
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元件
安装间隙
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振动
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温度循环
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三防漆
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分析因素
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有影响
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有影响
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有影响
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有影响
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有影响
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有影响
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试验结果
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正常
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正常
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开裂
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正常
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开裂
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开裂
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表1汇总了前几章试验情况，通过表1所列各项可以得出二极管开裂的原因为：器件排列较密，三防不能均匀的涂敷到二极管及其与相邻器件的间隙中，二极管与相邻器件的间隙中附着的三防漆较多，在温度循环中，特别是低温状态下，与器件表面形成的应力梯度较大，三防漆硬化收缩对二极管产生横向拉力，导致二极管开裂。通过放大二极管安装间隙（与相邻电阻以及与散热板）或者缩小器件本体直径，应可避免二极管开裂问题。
11 结论
玻璃封装元件的开裂与其安装间隙、涂覆三防漆应力、温度冲击有关。根据GJB3243要求，元件间隙应满足0.8mm要求，因此设计时需严格遵循此原则。根据QJ165A，元件涂覆时应考虑涂覆材料固化及温度循环时产生的应力对涂覆器件的影响，特别是玻璃封装器件应在涂覆前进行预处理，因此针对此类元件应先涂覆应力作用小的硅胶后再涂覆三防漆，或者要求厂家制造玻璃封装器件时，玻璃釉外面由烤瓷漆工艺改为喷清漆相当于进行了预处理，能化解三防漆对二极管本体的应力。
作者简介：吴 红（1973-），毕业于江南大学，高工，主要从事电子制造中的电气互联及其表面组装技术的研究。
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