航空電子產(chǎn)品焊接工藝驗(yàn)證方法研究

劉丙金

摘? ?要：針對(duì)航空電子產(chǎn)品，闡述了一種相對(duì)完善的工藝驗(yàn)證方法，為航空電子產(chǎn)品制造商進(jìn)行焊接工藝驗(yàn)證提供了指導(dǎo)。電子產(chǎn)品的類型多種多樣，文章主要針對(duì)航空電子產(chǎn)品的特點(diǎn)，對(duì)其焊接工藝的驗(yàn)證方法進(jìn)行探索和研究。

關(guān)鍵詞：焊接;工藝驗(yàn)證;可靠性

隨著電子元器件的小型化和高集成度的發(fā)展，電子組裝技術(shù)也經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段：從20世紀(jì)五六十年代的手工焊接到20世紀(jì)70年代的全自動(dòng)波峰焊接，再到20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的表面貼裝再流焊接，表面貼裝再流焊接是電子組裝技術(shù)的發(fā)展方向，目前已成為電子組裝技術(shù)的主流。

航空電子產(chǎn)品上使用的元器件封裝形式越來(lái)越多，比如DIP，PGA，CHIP，SOP，QFP，PLCC，LGA，BGA，CCGA等，引腳間距也逐步向窄間距技術(shù)發(fā)展，元器件的封裝材料也涉及塑封、陶瓷、玻璃體等多形式，這種元器件多元化發(fā)展勢(shì)必引起焊接工藝技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)，也對(duì)航空電子產(chǎn)品的高可靠性要求提出了挑戰(zhàn)，因此，對(duì)于焊接工藝的驗(yàn)證方法也提出了要求。

1? ? 焊接工藝驗(yàn)證方法介紹

由于元器件的測(cè)試不能完全反映部件級(jí)產(chǎn)品的實(shí)際載荷，在板級(jí)測(cè)試過(guò)程中，隨著無(wú)金屬線鍵合芯片互連技術(shù)以及高引線數(shù)量BGA封裝使用的日益增多，可能會(huì)增加板級(jí)測(cè)試中“不可預(yù)料”的內(nèi)部元器件失效。

為了確保航空電子產(chǎn)品電路組件的焊接連接達(dá)到在具體使用環(huán)境中的可靠性預(yù)期值，即使采用了適當(dāng)?shù)目煽啃栽O(shè)計(jì)方法，通常還有必要確認(rèn)其在一些具體應(yīng)用中的可靠性。因?yàn)楹噶系娜渥兒蛻?yīng)力松弛特性與時(shí)間有關(guān)，所以在加速測(cè)試中的疲勞破壞和疲勞壽命通常與實(shí)際情況有所不同，但通過(guò)采用適當(dāng)?shù)募铀僖蜃?，即可從加速測(cè)試結(jié)果中估算出產(chǎn)品的可靠性[1]。

目前焊點(diǎn)失效的主要失效模式是溫度循環(huán)或振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞失效，所以焊接工藝驗(yàn)證常常使用溫度循環(huán)或振動(dòng)作為加速應(yīng)力，下面將重點(diǎn)介紹溫度循環(huán)的試驗(yàn)方法，并介紹驗(yàn)證方法中對(duì)試驗(yàn)樣件的要求、溫度條件的選擇、判定標(biāo)準(zhǔn)等方面的經(jīng)驗(yàn)。

1.1? 試驗(yàn)樣件要求

驗(yàn)證樣件數(shù)量主要結(jié)合驗(yàn)證目的及樣件經(jīng)濟(jì)性來(lái)考慮，如果要對(duì)焊接新工藝進(jìn)行確認(rèn)，比如航空電子產(chǎn)品中的特殊過(guò)程確認(rèn)，每一種元器件數(shù)量應(yīng)不少于3個(gè);如果驗(yàn)證目的還要對(duì)電子產(chǎn)品的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估，則需加大驗(yàn)證樣件的數(shù)量，此時(shí)，每一種元器件的樣本量需要達(dá)到33個(gè)。

除驗(yàn)證數(shù)量外，對(duì)試驗(yàn)樣件的選取還需注意以下幾點(diǎn)：

（1）工藝驗(yàn)證試驗(yàn)樣件的印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）、元器件要求盡量與實(shí)際產(chǎn)品保持一致，也可為驗(yàn)證工藝特制的工藝試驗(yàn)件，樣件要求嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)。（2）工藝驗(yàn)證所用PCB的材料、層數(shù)、厚度以及試驗(yàn)板的安裝和結(jié)構(gòu)要求盡量采用實(shí)際產(chǎn)品，或模擬實(shí)際產(chǎn)品情況進(jìn)行試驗(yàn)。（3）工藝驗(yàn)證選用的元器件推薦采用菊花鏈形式，以便于試驗(yàn)過(guò)程中的加電測(cè)試。如果某些元器件成本太高，也可采用非功能性工藝器件或商業(yè)級(jí)器件代替，但其外形封裝（包括引線材料及鍍層）應(yīng)與待驗(yàn)證元器件保持一致。（4）進(jìn)行新焊接工藝驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)保證試驗(yàn)件上的元器件為已成熟使用的各種典型封裝，外形封裝符合標(biāo)準(zhǔn)要求，防止封裝引入其他不可靠因素。

1.2? 溫度條件的選擇

IPC-9701A建立了元器件在剛性、撓性及剛-撓結(jié)構(gòu)電路板上焊接連接的性能和可靠性的不同等級(jí)，也介紹了溫度循環(huán)的試驗(yàn)參數(shù)要求，如表1所示。

對(duì)于溫度循環(huán)（Temperature Cycle，TC）條件及熱循環(huán)次數(shù)（Number of Thermal Cycles，NTC）給出了多個(gè)條件及首選參考條件，由用戶根據(jù)產(chǎn)品特定的運(yùn)行環(huán)境條件確定。

結(jié)合歐空局ECSS-Q-ST-70-38C[2]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊接工藝驗(yàn)證的溫度條件要求，建議在航空電子產(chǎn)品上按照以下要求設(shè)計(jì)溫度循環(huán)試驗(yàn)：

（1）溫度循環(huán)條件為﹣55～100 ℃，溫度變化速率不超過(guò)20 ℃/min，高低溫停留時(shí)間至少保持10 min，至少進(jìn)行200次循環(huán)。（2）試驗(yàn)樣件在溫度循環(huán)試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行預(yù)烘去潮，烘烤溫度：60～80 ℃，時(shí)間：1～2 h。

1.3? 過(guò)程檢測(cè)方法

在溫度循環(huán)驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中，推薦采用菊花鏈的電氣監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行過(guò)程檢測(cè)。對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖1所示，以便于了解焊點(diǎn)失效的確切時(shí)間。如果不具備菊花鏈電氣監(jiān)測(cè)條件，則通過(guò)金相切片等破壞性方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

1.4? 判定標(biāo)準(zhǔn)

樣件經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)后，以下所有檢驗(yàn)項(xiàng)目全部合格標(biāo)志驗(yàn)證通過(guò)。

（1）外觀檢測(cè)。在至少40倍放大鏡下檢測(cè)試驗(yàn)后元器件本體完好，焊點(diǎn)外觀無(wú)裂紋且無(wú)明顯變化。

（2）加電測(cè)試。若采用菊花鏈?zhǔn)叫酒?，加電測(cè)試過(guò)程中應(yīng)無(wú)信號(hào)丟失，阻抗連續(xù)變化應(yīng)小于1 000 Ω或初始值的20%。

（3）金相分析。試驗(yàn)后應(yīng)進(jìn)行金相切片分析，焊點(diǎn)表面和內(nèi)部裂紋未超過(guò)焊點(diǎn)重要部分的25%。

2? ? 工藝驗(yàn)證流程

在工藝驗(yàn)證實(shí)施之前，設(shè)計(jì)完整的驗(yàn)證流程是十分重要的，工藝驗(yàn)證流程一般按照如圖2所示的順序開(kāi)展，試驗(yàn)前及試驗(yàn)過(guò)程每一階段應(yīng)記錄焊點(diǎn)狀態(tài)，以便進(jìn)行前后對(duì)比。

需要說(shuō)明的是：

（1）如果驗(yàn)證流程中設(shè)置了振動(dòng)試驗(yàn)，其與溫度循環(huán)在時(shí)間順序上沒(méi)有強(qiáng)制要求，可前可后。

（2）整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中推薦進(jìn)行加電測(cè)試，以更準(zhǔn)確地知道試驗(yàn)樣件具體的失效時(shí)間，以便于試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確評(píng)估;但加電測(cè)試是推薦而非必須的。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

形成一種相對(duì)完善的工藝驗(yàn)證流程。為航空電子產(chǎn)品焊接焊接工藝驗(yàn)證方法提供了指導(dǎo)，但航空電子產(chǎn)品種類繁多，具體的應(yīng)用環(huán)境也存在著差異，因此，在設(shè)計(jì)工藝驗(yàn)證條件時(shí)，還需要制造商在此基礎(chǔ)上，綜合考慮產(chǎn)品的具體使用環(huán)境，才能設(shè)計(jì)出更加合理的驗(yàn)證方法。

[參考文獻(xiàn)]

[1]THE SMT ATTACHMENT RELIABILITY TEST METHODS TASK GROUP.IPC-9701 A performance test methods and qualication requirements for surface mount solder attachments[EB/OL].（2006-02-01）[2020-04-10].https：//shop.ipc.org/IPC-9701A-English-D.

[2]THE EUROPEAN SPACE AGENCY FOR THE MEMBERS OF ECSS.ECSS-Q-ST-70-38C High-reliability soldering for surface-mount and mixed technology[EB/OL].（2008-07-31）[2020-04-10].https：//www.doc88.com/p-4993561459801.html.

Research on soldering process verification method of avionics

Liu Bingjin

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710065， China）

Abstract：For military avionics products， a relatively perfect process verification method is described， which provides guidance for military avionics manufactures to do soldering process verification. There are many types of electronic products. This paper focuses on the characteristics of avionics， and explores and verifies the welding process verification methods.

Key words：soldering; process verification; reliability