Через дефис может писаться не только одно слово, но и сочетание слов. Это могут быть сочетания с приложениями (город-герой, студент-первокурсник, программа-открывашка), сочетания-повторы (умница-разумница), сложные термины (альфа-частица) и др. Бывают очень разные случаи, единого правила для всех не существует. Подробнее можно посмотреть в «Правилах русской орфографии и пунктуации» под ред. В. В. Лопатина. Правда, вопрос о применении в таких сочетаниях кавычек там не рассматривается. Скорее всего, Вы правы, и в первых приведенных Вами примерах (мальчик-«умница», программа-«открывашка») лучше закавычить всё словосочетание. Что касается третьего (экс-«Интеграл»), то надо разбираться, что имеется в виду, и решать вопрос о кавычках в зависимости от смысла (к чему относится приставка экс, что такое Интеграл и т. д.).

Верно дефисное написание. Пишутся через дефис сочетания с однословными приложениями, следующими за определяемым словом, напр.: баба-яга, ванька-встанька, город-герой, ковёр-самолёт, лён-долгунец, мать-героиня, птица-носорог, рак-отшельник, рыба-попугай, скатерть-самобранка (устойчивые сочетания); дом-новостройка, журналист-международник, писатель-эмигрант, студент-медик, собака-ищейка, солдат-новобранец, садовод-любитель, студент-первокурсник, мать-старуха, девочка-красавица, Маша-резвушка...

Дефис ставится в обоих случаях.