器件大尺寸金属壳体平行缝焊失效分析

王洋，夏伟

（连云港杰瑞电子有限公司）

摘要：

阐述案例器件大尺寸金属壳体平行缝焊后，出现密封不合格的问题。经过加工过程、周转过程、试验过程及结构设计等方面进行分析，并采取相应措施，解决了大尺寸壳体缝焊不合格的问题。

0 引言

随着电路功能和集成度不断提升，金属壳体尺寸越来越大。这类壳体具有外形尺寸大、引脚数量多、散热能力强等优点。一般外壳均采用散热性能良好的可伐或冷轧钢作为基体材料。随着外壳尺寸的增大，壳体体积也随之增大，检漏加压时结构不均匀受力情况更加突出。由于壳体内的印制板、玻璃绝缘子与外壳材料的热膨胀系数不匹配性，外壳在经历了焊接、缝焊及后续筛选试验等一系列冷热交变过程后，会产生一定程度的变形，而这种变形改变了玻璃-金属缝焊的应力平衡，导致部分壳体产品气密性下降，出现玻璃绝缘子开裂的现象，影响到电路的使用寿命和可靠性。本文针对大尺寸壳体出现的缝焊后密封不合格进行失效分析。

1 研究背景

该失效电路采用印刷电路板和表面贴装制造工艺，PCB板焊接在壳体两侧的插针上。最后通过平行缝焊将盖板焊接在壳体上。壳体结构尺寸为50.8mm×50.8mm×4.8mm，引线总长度为9mm。盖板尺寸为50.6mm×50.6mm，盖板总厚度为0.4mm，边缘厚度为0.2mm，其结构如图1所示。

初步故障定位。该金属壳体是一种双列直插型结构，壳体、盖板和插针材料为可伐合金4J42，玻璃珠材料为BH-7K和GBC645。壳体侧壁厚度为1mm，底座厚度为1mm。未安装电路元器件的空壳体进行缝焊后，检漏均合格。安装电路元器件的壳体进行缝焊，检漏加压时出现玻璃珠漏气，漏率在10～7Pa·m3/s量级。通过对漏气点的排查，发现漏气点发生在玻璃绝缘子位置。在10倍显微镜目检发现大部分玻璃绝缘子出现径向裂纹。排查发现玻璃绝缘子径向裂纹是在氦气加压过程中产生的。同期生产的类似尺寸结构的外壳也出现了同样失效模式的玻璃开裂和漏气现象。使用绝缘胶堵住不合格样品玻璃绝缘子后，检漏合格。重新加压后，检漏不合格，发现堵漏的绝缘胶表面出现明显的漏孔。

2 故障排查

建立故障树。壳体玻璃珠材料为高硼玻璃，材质较为脆弱，如果出现插针弯曲、碰撞或挤压的情况，玻璃珠可能出现裂纹，从而造成漏气。如果壳体批次质量问题也会导致玻璃珠机械强度不足，从而破损。在焊接元器件和PCB、平行缝焊、周转、检验试验过程，受到热应力或机械应力也可能造成玻璃珠破损。

壳体批次质量问题。如果壳体存在批次质量问题，如玻璃珠烧制过薄，烧制不均匀，可能导致玻璃珠强度不够，受应力后容易出现裂纹，从而漏气。将上述情况反馈厂家，厂家明确上述批产壳体出厂均按GJB2440中筛选试验要求进行试验，并提供了逐批检验报告。壳体批产均进行了100%的密封试验。同时经过试验，选择不同厂家生产按照图纸生产的壳体，均出现了玻璃珠开裂的问题。因此排除壳体质量因素。

加工过程热应力。电路在加工过程中如果收到热应力或机械应力，可能导致玻璃珠破损。在PCB板装入壳体时需要对插针进行焊接，焊接时玻璃珠会受到热应力。与壳体厂家沟通，玻璃珠可耐最高温500℃以上，插针焊接时温度不超过350℃，因此排除了加工过程中的应力损伤。

加工过程的机械应力。由平行缝焊原理可知，电极轮需要施加压力到壳体边缘，如果电极轮压力过大或焊接夹具设计不合理，可能导致应力集中在玻璃珠上，从而导致玻璃珠受损。但从空壳体缝焊结果均合格可知，缝焊压力和工装产生的机械应力可以排除。

周转过程分析。在生产过程中，模块需要被频繁的取放和安装。如果引脚受力弯曲、碰撞或插拔，可能导致玻璃珠受损。查电路均放在防静电泡沫中进行周转，防静电泡沫采用开槽方式避免引脚受力。查不合格批次返工情况，存在仅更换壳体后，立即进行检漏，依然不合格的情况。另外，为减少周转，直接使用空封壳体安装PCB后进行检漏试验，依然检漏不合格。因此，可以排除周转过程应力导致玻璃珠受损。

检验试验过程应力。在产品筛选、高低温和检漏试验过程中，模块受到温度应力和压力应力，如果这些应力超过了玻璃珠承受的极限，可能导致玻璃珠受损。经过验证，空壳体缝焊后经过筛选试验后检漏合格，装入PCB板的壳体缝焊后，在检漏后有不合格。至此，可以确定检漏试验的压力会造成安装PCB的电路玻璃珠出现破损，从而导致密封不合格。

产品结构设计不当。如果产品在结构设计时，未充分考虑各种情况下引线的受力情况，环境试验的应力超出了壳体材料的承受极限，就会导致壳体玻璃珠出现破损。总结上述试验过程，壳体在密封试验后均会出现玻璃珠裂纹的现象。根据密封试验条件及壳体材料进行计算机仿真，发现模块在密封试验时，要承受414kPa的大气压，盖板凹陷达2.8mm以上。引脚处玻璃珠处受到的应力（81Mpa）超出玻璃珠的抗拉强度（61.5MPa）。如图2。

但对空封壳体进行检漏试验，并未出现检漏不合格的问题。从图1可知，PCB是通过两排插针焊接固定。（1）一方面，PCB与插针材料的热膨胀系数并不匹配，在密封试验压力和温度循环试验的温度应力作用下，PCB会形变导致引线受力形变。（2）另一方面，PCB在安装焊接时受到压力和热应力，PCB存在形变引起引线受力形变。上述两种情况，会破坏引线的玻璃封接面，出现漏孔。采用灌封胶从内部对玻璃珠进行密封处理。缝焊后进行检漏试验，密封合格。

3 故障定位结果

电路密封性批次不合格问题主要原因为产品结构设计考虑不周，PCB通过两侧引线焊接固定，大尺寸PCB在焊接和环境试验过程中，材料间热膨胀系数差异较大，PCB形变产生的应力导致壳体引线玻璃珠受损。次要原因为壳体个别引脚玻璃封接尺寸较薄，氧化层结合不紧密，玻璃珠强度不足，受外部应力时容易裂纹萌生和迅速扩散。在密封试验时，壳体受外部压力，引线玻璃珠处受到的应力超出玻璃材料的抗拉强度，从而导致引线玻璃珠破损漏气。上述原因共同作用，导致电路密封性批次不合格。封接材料间的热膨胀系数差异是影响封接质量的关键。（1）一方面，玻璃绝缘子中存在气泡，在温度应力下，气泡处产生的应力集中导致裂纹萌生和迅速扩散；（2）另一方面，金属环-玻璃、引脚-玻璃封接界面缺少必要的晶间氧化过渡或氧化层很薄，不能形成封接界面材料的相互浸润，降低了玻璃绝缘子的密封性和密封强度。

原理分析结果。根据上述的分析，大尺寸壳体密封性批次不合格的主要原因为：PCB通过两侧引线焊接固定，大尺寸PCB在焊接和环境试验过程中，材料间热膨胀系数差异较大，PCB形变产生的应力导致壳体引线玻璃珠受损。另外，壳体个别引脚玻璃封接尺寸较薄，氧化层结合不紧密，玻璃珠强度不足，受外部应力时容易裂纹萌生和迅速扩散。在密封试验时，壳体受外部压力，引线玻璃珠处受到的应力超出玻璃材料的抗拉强度，从而导致引线玻璃珠破损漏气。上述原因共同作用，导致大尺寸壳体密封不合格。

4 结语

为解决大尺寸壳体密封性批次不合格问题，采用灌封胶对壳体内部玻璃珠灌封属于临时措施，不能保证长期可靠性。因此采用10#钢进行重新设计，加厚底面厚度至1.5mm。经过验证，可以有效降低玻璃珠应力，避免玻璃珠破损。