軍用電子模塊無鉛焊點可靠性分析

展亞鴿

摘 要：電子產(chǎn)品中焊點的可靠性直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用壽命，但目前無鉛焊點的可靠性還存在觀望或爭議，由于軍用電子產(chǎn)品使用場合和使用環(huán)境的特殊性，對無鉛材料及無鉛制造的使用還在調(diào)研階段。從無鉛焊點可靠性實驗驗證和利用有限元分析對焊點力學(xué)性能、疲勞壽命方面來研究無鉛焊點可靠性，對軍用電子產(chǎn)品無鉛化實施具有重要的理論價值和實際意義。

關(guān)鍵詞：電子焊接;可靠性;無鉛焊接

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，表面組裝技術(shù)（SMT：Surface Mount Technology）作為新一代的電子裝聯(lián)技術(shù)已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。由于SMT技術(shù)具有使電子產(chǎn)品微型化、薄型化、輕量化、容易實現(xiàn)自動裝配以及降低生產(chǎn)成本等一系列優(yōu)越性，在技術(shù)發(fā)達(dá)國家已部分乃至完全替代了傳統(tǒng)的電子元器件通孔安裝技術(shù)（THT：Through Hole Technology），使電子裝聯(lián)技術(shù)發(fā)生了根本性的、革命性的變革。

目前，SMT正朝著高密度、高精度、更高可靠性、多樣化和“綠色”組裝方向迅速發(fā)展。在采用 SMT 技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)的電子產(chǎn)品中，元器件與印制電路板（PCB：Printed Circuit Board）之間主要是通過焊點來實現(xiàn)互聯(lián)的，焊點既起到機(jī)械支撐又起到電氣互聯(lián)的作用，焊點的可靠性直接關(guān)系到 SMT 產(chǎn)品的使用壽命。目前，在失效的微電子產(chǎn)品中，焊點失效是主要原因。

焊點的失效一方面來源于生產(chǎn)裝配工序中的焊接故障。其中，最為常見的是釬料橋連、虛焊、焊接處形成焊珠、立碑等故障;其次當(dāng)環(huán)境溫度或通斷電狀態(tài)變化時，由于基板和元件材料的熱膨脹系數(shù)的差別，導(dǎo)致釬料產(chǎn)生粘性行為，出現(xiàn)蠕變損傷。還有是在使用過程中，由于不可避免的沖擊、振動等造成焊點的機(jī)械損傷。另外在振動、熱循環(huán)及濕熱等外界環(huán)境因素影響下，導(dǎo)致焊點內(nèi)無法避免地發(fā)生交變的彈塑性應(yīng)變及蠕變，由于反復(fù)的應(yīng)變積累使得焊點出現(xiàn)疲勞失效。據(jù)統(tǒng)計，在電子設(shè)備的故障中，有 50%是由于印制電路板焊接的故障引起的，而對于熱應(yīng)力比較敏感的表面貼裝形式的焊點質(zhì)量問題更為嚴(yán)重，焊接造成的缺陷占總?cè)毕莸?70%，正如疲勞專家 Steinberg 所說：“焊點的可靠性如此重要，以致本行的人認(rèn)為電子設(shè)備的可靠性就是焊點的可靠性，在焊點尺寸變得越來越小的情況下，焊點成為最容易發(fā)生失效的連接環(huán)節(jié)，一定得進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提高可靠性壽命，所以，焊點的可靠性是封裝技術(shù)及電子組裝領(lǐng)域需要解決的重要課題。焊點可靠性問題一般指電子元器件和組件在服役條件下，由于熱循環(huán)、振動和沖擊等外界環(huán)境因素的影響，連接 PCB 與器件的焊點內(nèi)產(chǎn)生周期性的應(yīng)變應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋的形成與擴(kuò)展，最終使得焊點失效。

目前，電子設(shè)備可靠性的研究方向是準(zhǔn)確預(yù)測電子設(shè)備的無故障工作時間，慮振動和熱循環(huán)工作環(huán)境，探討實現(xiàn)無故障工作壽命預(yù)測的完整模型。焊點有限疲勞壽命時若不把振動沖擊等因素考慮在內(nèi)必將導(dǎo)致錯誤的結(jié)果，動態(tài)載荷會在焊點內(nèi)引起動態(tài)應(yīng)力，它和焊點低周疲勞相互作用，會影響焊點的失效機(jī)制，大大加速焊點失效進(jìn)程。在某種情況下，振動沖擊所引起的疲勞失效甚至?xí)兂芍饕г颉Ｓ捎?SMT 生產(chǎn)中普遍采用的錫鉛釬料的含鉛量達(dá)到 40%左右，隨著公眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們已經(jīng)認(rèn)識到含鉛釬料對環(huán)境和人體健康的威脅，特別是歐盟出臺關(guān)于廢棄電氣電子儀器法案及特定有害物質(zhì)的使用限制指令的全面實施，含鉛釬料已逐漸被無鉛釬料所代替;但是相比于應(yīng)用多年成熟的有鉛焊接工藝下的焊點可靠性，無鉛焊點可靠性還存在觀望或爭議;另外軍用電子產(chǎn)品由于使用場合和使用環(huán)境的特殊性，需要承受高強(qiáng)度機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、射線輻射應(yīng)力、電應(yīng)力等苛刻的環(huán)境條件，所有這些情況都決定了焊點可靠性必將成為軍用電子產(chǎn)品十分重要的參數(shù)指標(biāo)。鑒于以上原因，軍用電子產(chǎn)品中無鉛焊點可靠性的研究對指導(dǎo)和服務(wù)軍用集成電路的研制和生產(chǎn)，延長軍事裝備的使用壽命和在嚴(yán)酷環(huán)境的使用效能，加強(qiáng)國防現(xiàn)代化建設(shè)都有著十分重要的意義。因此，研究新型無鉛釬料焊點的可靠性尤為重要。

人們不斷要求電子設(shè)備輕薄短小、高性能、高功能，使得超小型便攜電子設(shè)備的需求急速增加，微組裝技術(shù)應(yīng)此而生。 微組裝技術(shù)是在高密度多層互連基板上， 用微型焊接和封裝 工藝把構(gòu)成電子電路的各種微型元器件 （集成電路芯片及片 式元件）組裝起來，形成高密度、高速度、高可靠、立體結(jié)構(gòu)的 微電子產(chǎn)品（組件、部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)）的綜合性高技術(shù)。 微組 裝技術(shù)作為一種綜合性高技術(shù)，它涉及到物理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械 學(xué)、光學(xué)及材料等諸多學(xué)科，集中了半導(dǎo)體 IC 制造技術(shù)、無源 元件制造技術(shù)、電路基板制造技術(shù)、材料加工技術(shù)以及自動化 控制等技術(shù)。 隨著高密度封裝的廣泛使用，促使電子裝聯(lián)技術(shù) 從設(shè)備到工藝都將向著適應(yīng)精細(xì)化組裝的要求發(fā)展。

現(xiàn)代社會的發(fā)展對電子控制的要求越來越高，電子技術(shù)的發(fā)展使電子產(chǎn)品的服役環(huán)境更趨惡劣。如功能的多樣化及結(jié)構(gòu)的小型化，使得電子器件的功率更大，溫度更高，從而使焊點產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變也更大，特別是在航空、航天和軍事等高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域，在熱應(yīng)力和動態(tài)應(yīng)力綜合作用情況下，焊點的裂紋擴(kuò)展進(jìn)程會加快，焊點將提前失效。因此焊點的可靠性已得到了普遍重視和廣泛研究。預(yù)測焊點疲勞壽命需用到應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，在早期主要通過實驗循環(huán)測試手段獲得所需數(shù)據(jù)，可是隨著電子產(chǎn)品越來越小，焊點尺寸也越來越小，要通過實驗獲得疲勞壽命計算所需應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)非常困難，另外，在實驗中只能測量出焊點表面或平均的應(yīng)變值，而且必須制作適合的試件，實驗設(shè)備還得滿足很高的精度要求。

目前國內(nèi)外研究人員在預(yù)測分析焊點可靠性壽命時，主要在粘彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)和彈性力學(xué)等理論基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值模擬的方法。上述中大量的文獻(xiàn)資料表明有限元數(shù)值分析方法與可靠性實驗得出的結(jié)果相差較小，可以用有限元數(shù)值分析方法來代替實驗方法，故在試驗條件難以為達(dá)到的情況下，用有限元仿真的方法可以代替可靠性試驗方法來對焊點進(jìn)行可靠性研究。通過可靠性強(qiáng)化實驗分析驗證焊點可靠性，用有限元仿真的方法進(jìn)行失效模式驗證，并在綜合加載下條件下進(jìn)行無鉛焊點的壽命預(yù)測將成為焊點可靠性研究工作的發(fā)展趨勢。

人們對電子產(chǎn)品追求微型化、薄型化、更高性能等要求永無止境，現(xiàn)有裝聯(lián)工藝技術(shù)終極發(fā)展對此有些無能為力，未來 電子元氣件、封裝、安裝等產(chǎn)業(yè)將發(fā)生重大變革，將由芯片封裝安裝→再到整機(jī)的由前決定后的垂直生產(chǎn)鏈體系，轉(zhuǎn) 變?yōu)榍昂蟊舜酥萍s的平行生產(chǎn)鏈體系， 工藝技術(shù)路線也必將 作出重大調(diào)整，以適應(yīng)生產(chǎn)鏈的變革;PCB、封裝和器件將融 合成一體，傳統(tǒng)的使用機(jī)械鑿刻（通過化學(xué)反應(yīng)）最終達(dá)到非 常小尺度的工具不再有優(yōu)勢。 電子裝聯(lián)工藝技術(shù)逐漸放棄以 往的工具、技術(shù)和模型，最終將沿著分子生物學(xué)的線索走向分 子水平。

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