電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)研究與應(yīng)用

周天朋，劉向勃，祝濟(jì)之

（1.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462；2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；3.西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所，西安 710025）

引言

軍用飛機(jī)的環(huán)境故障率的研究表明，全部電子設(shè)備故障中約有55 %是與熱事件（高溫和熱循環(huán)）相關(guān)[1]。電子設(shè)備在使用過(guò)程中均會(huì)經(jīng)歷熱循環(huán)應(yīng)力，熱循環(huán)載荷來(lái)自于電子產(chǎn)品開(kāi)關(guān)通電造成的功率循環(huán)和其工作環(huán)境變化的溫度循環(huán)。一般軍用電子設(shè)備每天通電一次，10年內(nèi)累積大約3 650個(gè)熱應(yīng)力循環(huán)；計(jì)算機(jī)在15年內(nèi)每天通電兩次，將累積大約11 000個(gè)熱應(yīng)力循環(huán)；汽車在20年內(nèi)每天啟動(dòng)10次，將累積大約73 000個(gè)熱應(yīng)力循環(huán)。電子設(shè)備在使用期內(nèi)經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)范圍大致在105之內(nèi)，這些熱循環(huán)引起的故障屬于典型的低周疲勞故障。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證電子設(shè)備熱循環(huán)可靠性，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，通常需要采用加速試驗(yàn)的方法。本文分析了電子設(shè)備熱循環(huán)試驗(yàn)失效機(jī)理，介紹了適用于焊點(diǎn)的蠕變-疲勞壽命分析的Engelmaier-Wild模型[2]，最后通過(guò)一個(gè)加速可靠性試驗(yàn)案例，進(jìn)行模型的應(yīng)用和驗(yàn)證。

1 電子設(shè)備熱循環(huán)失效機(jī)理

在熱循環(huán)環(huán)境下，電子設(shè)備中不同材料的熱膨脹系數(shù)的差別，導(dǎo)致元器件與PCB基本板連接處產(chǎn)生很高的應(yīng)力和應(yīng)變。典型元器件連接如圖1所示，PCB板膨脹位移XS，元器件膨脹位移XC，焊點(diǎn)高度h。PCB板的膨脹系數(shù)大于元器件，XS＞XC，此時(shí)元器件引線和焊點(diǎn)將承受應(yīng)力。引線承受彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生塑性彎曲變形，若引線存在又尖又深的割痕，導(dǎo)致嚴(yán)重應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致引線斷裂失效。若引線工藝完好正常，在很小的位移情況下，引線彎曲疲勞具有上百萬(wàn)循環(huán)壽命，大多數(shù)電子設(shè)備在壽命期內(nèi)不會(huì)遇到這樣多大的熱應(yīng)力循環(huán)。焊點(diǎn)由于在高溫下強(qiáng)度較低，在熱循環(huán)中會(huì)產(chǎn)生較大的蠕變和應(yīng)力松弛，從而產(chǎn)生裂紋，直至斷裂。

對(duì)于無(wú)引線的元器件焊接，由于沒(méi)有引線的彎曲作用，焊點(diǎn)承受更大的應(yīng)變，如圖2所示。

錫鉛（Sn-Pb）焊料由于其突出的可焊性和可靠性，目前是最主要的焊料材料，其融化溫度TM=183 ℃[3]。溫度超過(guò)20 ℃時(shí)，錫鉛（Sn-Pb）焊料容易發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，溫度越過(guò)或應(yīng)力水平越高時(shí)，焊料的蠕變和應(yīng)力松弛越快。

熱循環(huán)導(dǎo)致焊點(diǎn)合金內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)，同時(shí)引發(fā)焊點(diǎn)金屬學(xué)組織的演化（晶粒組織變粗糙）。力學(xué)和金屬學(xué)因素的共同作用，導(dǎo)致宏觀表象為焊點(diǎn)裂紋的萌生與擴(kuò)展，引起電信號(hào)傳輸失真的失效現(xiàn)象。隨著疲勞損傷累積，焊點(diǎn)的疲勞壽命消耗大約25～50 %之后，在晶粒交界處形成微孔洞，這些微孔洞增長(zhǎng)形成微裂紋，進(jìn)一步增長(zhǎng)并聚集成大裂紋。

圖3 表示焊點(diǎn)粘塑性的蠕變應(yīng)力松弛的疲勞過(guò)程。圖中一個(gè)循環(huán)滯回環(huán)區(qū)域表示消耗一個(gè)疲勞循環(huán)。粘塑性應(yīng)變能引起的疲勞損傷，是由一個(gè)個(gè)周期積累形成的。在較高溫度下，幾十分鐘，在較低的溫度下需要幾天，焊點(diǎn)應(yīng)力會(huì)完全松弛，造成最大的塑性應(yīng)變，超過(guò)這個(gè)時(shí)間將不會(huì)引起更多的疲勞損傷。

圖3 中，無(wú)引線的焊點(diǎn)會(huì)進(jìn)入屈服階段，每個(gè)循環(huán)疲勞損傷較大。有引線的焊點(diǎn)，由于引線的應(yīng)力明顯低于焊點(diǎn)屈服強(qiáng)度，大大減少了每個(gè)循環(huán)的疲勞損傷。

加速試驗(yàn)時(shí)，為了節(jié)約時(shí)間，停留時(shí)間是不足以使得應(yīng)力完全松弛。其回環(huán)區(qū)域比相應(yīng)的能承受完全應(yīng)力松弛條件下的回環(huán)區(qū)域小很多。在同樣的溫度循環(huán)范圍下，加速試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)不直接等同于實(shí)際運(yùn)行的循環(huán)次數(shù)。

2 電子設(shè)備熱循環(huán)疲勞模型

金屬的通用疲勞損傷模型包括Morrow模型[4]、Coffin-Manson模 型[5]、Smith-Watson-Topper（SWT）模型[6]等。在Morrow模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)電子設(shè)備焊點(diǎn)蠕變-應(yīng)力松弛疲勞的特點(diǎn)，IPC（美國(guó)電子電路和電子互連行業(yè)協(xié)會(huì)）產(chǎn)品可靠性委員會(huì)提出了針對(duì)電子設(shè)備焊點(diǎn)的疲勞損傷模型——Engelmaier-Wild模型[2]。

Engelmaier-Wild壽命模型為：

圖1 有引線焊接連接

圖2 無(wú)引線焊接連接

圖3 累積疲勞損傷

針對(duì)無(wú)引線焊接連接：

有引線焊接連接：

疲勞延展性指數(shù)：

模型中參數(shù)如下：

A—焊點(diǎn)有效的最小承載面積；

F—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)引線焊接連接（1.5＞F＞0.7），軟引線的焊接連接（F=1）；

h—焊點(diǎn)高度；

KD—無(wú)約束，未焊接的元器件引線的對(duì)角線抗撓剛度；

2LD—從元器件焊點(diǎn)焊盤中心測(cè)量元器件焊點(diǎn)之間的最大距離；

N—產(chǎn)品壽命期間的運(yùn)行周期數(shù)；

x—在N次循環(huán)后，元器件的累積失效概率，%；

Nf（x %）—按x %的失效率能運(yùn)行的循環(huán)數(shù)；

TC，TS—高溫狀態(tài)下，元器件和基板溫度狀態(tài)的運(yùn)行溫度；

TC,0，TS,0—低溫狀態(tài)下，元器件和基板溫度狀態(tài)的運(yùn)行溫度；

TSJ=(1/4)( TC+TS+ TC,0+TS,0)—平均循環(huán)焊點(diǎn)溫度；

tD—半周期的停留時(shí)間，高溫和低溫下應(yīng)力松弛的平均時(shí)間；

αC，αS—元器件，基板的熱膨脹系數(shù)（CTE）；

β—威布爾分布形狀參數(shù)，無(wú)引線連接為4，軟的有引線連接為2；

ΔD—完全應(yīng)力松弛下潛在的循環(huán)疲勞損傷；

ΔTC=TC- TC,0—元器件循環(huán)溫變；

ΔTS=TS- TS,0—基板循環(huán)溫變；

Δα=αC-αS—元器件和基板的熱膨脹系數(shù)CTE不匹配；

ΔTe=（αSΔTS-αCΔTC）/Δα—循環(huán)溫變；

εf′=0.325—疲勞延性系數(shù)（共晶錫鉛63/37和60/40焊料），其他焊料取值將會(huì)不同。

根據(jù)Engelmaier-Wild壽命模型，定義電子設(shè)備熱循環(huán)試驗(yàn)加速因子：

式（6）括號(hào)中use代表使用環(huán)境，test表示試驗(yàn)環(huán)境。

3 電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)策劃

加速可靠性試驗(yàn)是使用相同的損傷機(jī)理，比產(chǎn)品使用所需更短的時(shí)間去激發(fā)失效或累積損傷。加速方法主要包括增加壽命控制變量的量級(jí)和增加頻次兩類。

關(guān)鍵要理解加速試驗(yàn)和被加速的實(shí)際使用環(huán)境之間的關(guān)系，基于適合的損傷、失效機(jī)理和服務(wù)環(huán)境來(lái)選擇試驗(yàn)類型和試驗(yàn)條件。

電子設(shè)備熱循環(huán)有三種類型：

1）功能循環(huán)：模擬實(shí)際工作狀態(tài)，包括元器件內(nèi)部功耗，外部溫度變化、熱傳導(dǎo)。

2）溫度循環(huán)：環(huán)境溫度交替變化，溫變率應(yīng)低于20 ℃/min，以避免熱沖擊，溫度保持時(shí)間推薦大于15 min。

3）熱沖擊循環(huán)：溫變速率30 ℃/min以上，熱沖擊和溫度循環(huán)失效模式不同，不在本文討論范圍。

電子設(shè)備焊點(diǎn)疲勞失效檢查一般有定期焊點(diǎn)裂紋的目視檢查，定期破壞焊點(diǎn)來(lái)檢查初始強(qiáng)度的降低情況，和監(jiān)測(cè)一些初始電性能變化，如：電阻的增加。

考慮到失效檢查的方便性和試驗(yàn)時(shí)間限制，推薦使用電性能監(jiān)測(cè)的方法。試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)電連續(xù)性首次中斷（電阻大于1 000 Ω），并且在其后續(xù)增加的10 %循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)9次被確認(rèn)的中斷，即可確認(rèn)為焊點(diǎn)疲勞失效。

試驗(yàn)方案策劃要考慮電子設(shè)備的自變量參數(shù)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝參數(shù)、產(chǎn)品參數(shù)、使用環(huán)境參數(shù)等，具體比如：溫度波動(dòng)、元器件尺寸、熱膨脹系數(shù)、焊點(diǎn)高度、引線硬度、失效概率等。

表1 熱循環(huán)試驗(yàn)失效數(shù)據(jù)

評(píng)估自變量參數(shù)的水平和范圍，在不改變失效機(jī)理的前提下，盡量提高變量參數(shù)范圍，縮短加速試驗(yàn)時(shí)間。根據(jù)自變量參數(shù)選值，預(yù)估加速可靠性試驗(yàn)預(yù)期循環(huán)次數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間，使試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)控制在可接受范圍之內(nèi)。

關(guān)于試驗(yàn)樣本數(shù)量，由于焊點(diǎn)蠕變疲勞失效是概率分布，為了便于統(tǒng)計(jì)出合理的測(cè)試結(jié)果，需要至少32個(gè)試驗(yàn)樣本。

試驗(yàn)測(cè)試板的組裝和加工應(yīng)盡可能和實(shí)際產(chǎn)品相同。電子產(chǎn)品存儲(chǔ)一年后焊點(diǎn)的焊料晶粒組織會(huì)明顯粗糙化。試驗(yàn)測(cè)試板在加速試驗(yàn)前應(yīng)該進(jìn)行熱老化和環(huán)境應(yīng)力篩選，推薦在100～125 ℃下，熱老化100～300 h。熱老化后的測(cè)試板在室溫下存儲(chǔ)一段時(shí)間，以便焊接結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)熱循環(huán)升降溫速率不應(yīng)超過(guò)20 ℃/min，有足夠的溫度保持時(shí)間，使焊點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力松弛。

試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)試驗(yàn)箱運(yùn)行溫度、試驗(yàn)基板不同部位和元器件進(jìn)行溫度測(cè)量。

對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的失效，進(jìn)行目視檢查，必要時(shí)進(jìn)行金相分析，評(píng)定失效模式。

4 某電路板加速可靠性試驗(yàn)案例

4.1 某電路板參數(shù)和使用條件

某電路板安裝8個(gè)無(wú)引線CC1820片式電容，設(shè)計(jì)壽命10年，每天通斷電一次（N=3 650循環(huán)）。使用溫度日循環(huán)，平均日循環(huán)溫度ΔT=40 ℃。10年后可接受的累積失效率x=0.5 %。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其10年后失效率能否滿足要求。

CC1820片式電容物理參數(shù)為：αC=6.8 ppm/℃，h=0.127 mm，LD=2.032 mm。

電路板基板為低CTE多層板，αS=10.5 ppm/℃。

4.2 試驗(yàn)電路板參數(shù)和試驗(yàn)條件

電路板基板的熱膨脹系數(shù)較低，為了加速焊點(diǎn)的疲勞失效，更換熱膨脹系數(shù)較大的FR-4多層板，αS=16 ppm/℃。每試驗(yàn)電路板安裝8個(gè)CC1820片式電容，其工藝與實(shí)際產(chǎn)品相同，共32個(gè)試驗(yàn)電路板參與加速試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件選定為0～100 ℃的溫度循環(huán)，TD=15 min，ΔTe=100 ℃，TSJ=50 ℃，每天24個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]

試驗(yàn)共進(jìn)行6 400循環(huán)，出現(xiàn)17個(gè)失效，失效數(shù)超過(guò)試驗(yàn)件數(shù)量一半，試驗(yàn)結(jié)束。

4.4 數(shù)據(jù)分析計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1，計(jì)算失效率，可以得到失效率與壽命的關(guān)系曲線。

將式（2）轉(zhuǎn)化為失效率和壽命的關(guān)系如下：

式（7）為典型的失效率與壽命的威布爾分布關(guān)系式。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行失效率和壽命的威布爾分布關(guān)系曲線擬合，計(jì)算得到式（7）中β=4，N（50 %）=6 233，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.998 7，擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

可以看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合β=4的威布爾分布，平均壽命N（50 %）=623 3。

試驗(yàn)為8個(gè)器件一組進(jìn)行，根據(jù)樣本分組修正公式：

圖4 失效率與循環(huán)數(shù)N試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線

式中：

β—威布爾分布形狀參數(shù)；m— 一組器件的數(shù)量。

根據(jù)式（8），可以計(jì)算出試驗(yàn)條件下單個(gè)CC1820器件的平均壽命：N（50 %，test）=10 483。

根據(jù)式（5），可以計(jì)算出疲勞延展系數(shù)：ΔT=40 ℃，c(use)=-0.473 9；ΔT=100 ℃，c(test)= -0.415 99。

根據(jù)式（1）可以計(jì)算得到加速試驗(yàn)下單個(gè)器件一個(gè)循環(huán)損傷：ΔD(test)=0.015 93。

根據(jù)式（3）計(jì)算得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)F=0.703 5。

將經(jīng)驗(yàn)系數(shù)F帶入式（3），可以計(jì)算得到使用環(huán)境下：ΔD(use)=0.002 563。

根據(jù)式（6）可以得到加速試驗(yàn)加速系數(shù)：A.F.（N）=14.01。

根據(jù)式（1），計(jì)算得到使用環(huán)境下單個(gè)器件平均壽命N（50 %，use）=146 833。

根據(jù)式（8），計(jì)算得到電路板8個(gè)一組器件平均壽命N（50 %，use）=87 308。

根據(jù)式（2），可以計(jì)算使用環(huán)境下，電路板失效率x=0.5 %，時(shí)電路板的壽命為N（0.5 %，use）=25 460。

根據(jù)式（2），同樣可以計(jì)算工作環(huán)境下使用10年時(shí)，電路板失效率x=2.117E-6。

可知電路板工作10年時(shí)，失效率＜0.5 %，滿足使用要求。

5 結(jié)論

1）本文分析了電子設(shè)備熱循環(huán)失效機(jī)理，介紹焊點(diǎn)熱循環(huán)失效的Engelmaier-Wild壽命模型。

2）應(yīng)用Engelmaier-Wild壽命模型, 本文提出了一種電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)方案。

3）通過(guò)某電路板加速可靠性試驗(yàn)案例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Engelmaier-Wild壽命模型應(yīng)用在電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)的適用性。