直升機(jī)裝備BGA和QFP電子元器件裝聯(lián)可靠性研究

鐘鵬

（航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計研究所，天津，300000）

0 引言

直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備作為整機(jī)的核心功能組成部分，對于能否發(fā)揮出現(xiàn)代武器裝備戰(zhàn)斗力至關(guān)重要。隨著科技的不斷進(jìn)步，直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備的技術(shù)性能及可靠性得到提升，逐漸向微型化、集成化和模塊化方向發(fā)展[1]。直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備主要由若干個PCB（印制電路板，簡稱PCB）組裝件構(gòu)成，而PCB組件是指電子元器件通過典型裝聯(lián)工藝在PCB上實現(xiàn)電氣互聯(lián)互通，最后經(jīng)調(diào)試合格的產(chǎn)品[2]。

近年來，相關(guān)學(xué)者圍繞提高電子元器件的使用可靠性開展了大量的研究。但是，大多數(shù)研究主要針對如何提高電子元器件本身可靠性，卻對電子元器件裝聯(lián)可靠性研究相對較少。直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備長期工作在溫度交變、強(qiáng)烈振動和復(fù)雜的電磁兼容環(huán)境中，導(dǎo)致電子元器件電氣聯(lián)接失效故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響機(jī)載電子設(shè)備的工作效率。因此，在設(shè)計與研究直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備可靠性時，不僅需要關(guān)注電子元器件本身可靠性是否達(dá)到裝備使用需求，還應(yīng)重點關(guān)注電子元器件與印制版電路的裝聯(lián)可靠性是否滿足裝備使用需求。

綜上，有必要開展直升機(jī)裝備電子元器件的裝聯(lián)可靠性試驗，分析研究直升機(jī)裝備電子元器件的裝聯(lián)可靠性，并結(jié)合直升機(jī)裝備的工作環(huán)境與特點，探討如何提高直升機(jī)使用電子元器件的裝聯(lián)可靠性，以期為提高直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備可靠性提供有價值的參考。

1 電子元器件裝聯(lián)可靠性簡介

電子元器件的裝聯(lián)可靠性，也稱電子元器件與PCB裝聯(lián)結(jié)構(gòu)中焊點的可靠性，是指電子元器件通過典型裝聯(lián)工藝與PCB形成的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)耐受環(huán)境應(yīng)力能力，具體分為耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性與耐機(jī)械振動應(yīng)力可靠性，一般可通過裝聯(lián)可靠性試驗或者FΜEA法 (失效模式與影響分析法，簡稱FΜEA法) 分析獲得某型電子元器件的裝聯(lián)可靠性[3]。

本文主要介紹利用裝聯(lián)可靠性試驗研究直升機(jī)使用電子元器件的裝聯(lián)可靠性，具體工作流程包括裝聯(lián)前準(zhǔn)備、元器件裝聯(lián)、裝聯(lián)后檢查、耐環(huán)境應(yīng)力可靠性評價試驗、試驗后檢查及裝聯(lián)可靠性評價結(jié)論確定，如圖1所示。

圖1 電子元器件裝聯(lián)可靠性分析

由圖1可見，在開展裝聯(lián)可靠性試驗前，需要進(jìn)行裝聯(lián)前準(zhǔn)備，并通過典型裝聯(lián)工藝完成電子元器件與PCB的裝聯(lián)。在完成裝聯(lián)后，需要首先分析電子元器件與PCB的裝聯(lián)工藝適應(yīng)性。其中，裝聯(lián)工藝適應(yīng)性是指元器件對典型裝聯(lián)工藝的適應(yīng)能力，一般通過對元器件預(yù)處理、回流焊接和焊接后質(zhì)量檢查等方式進(jìn)行分析評價。若電子元器件與PCB形成良好的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)，說明該電子元器件的裝聯(lián)工藝適應(yīng)性良好，則可進(jìn)一步對焊接完成的板卡組件開展機(jī)械振動、溫度循環(huán)試驗，并對試驗后的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查，最后通過分析可獲得該電子元器件的裝聯(lián)可靠性。

2 電子元器件裝聯(lián)可靠性典型案例分析

BGA和QFP電子元器件由于可靠性高，電氣聯(lián)接性能較好，因此得到廣泛使用。本節(jié)結(jié)合具體型號產(chǎn)品對電子元器件的裝聯(lián)可靠性進(jìn)行分析研究，以廠家1自主研制的BGA封裝SΜQ2V1000-4型現(xiàn)場可編程門陣列和廠家2自主研制的QFP封裝SΜ1270型復(fù)雜可編程邏輯器件為例，各取試驗樣品2只，編號分別為YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2，試驗樣品的詳細(xì)信息見表1。

表1 樣品詳細(xì)信息

在完成焊盤設(shè)計后，經(jīng)過回流焊接等典型裝聯(lián)工藝分別完成YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2與PCB的裝聯(lián)，形成裝聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 元器件板級裝聯(lián)結(jié)構(gòu)

2.1 裝聯(lián)工藝適應(yīng)性分析

為研究BGA和QFP電子元器件的裝聯(lián)工藝適應(yīng)性，在試驗前分別對YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行X-ray檢查，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，YP1-1~YP1-2的焊點的空洞面積小于25 %，未見橋連、球窩等缺陷，焊點形貌良好；YP2-1~YP2-2的焊點未見橋連、虛焊等缺陷，焊點形貌良好。表明BGA和QFP電子元器件的裝聯(lián)工藝適應(yīng)性良好，通過回流焊接等成熟裝聯(lián)工藝可以與PCB形成良好的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖3 試驗前裝聯(lián)結(jié)構(gòu)X—ray檢查結(jié)果

2.2 裝聯(lián)可靠性分析

2.2.1 耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性分析

為研究BGA和QFP電子元器件與PCB裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性，依據(jù)QJ3086A-2016《表面和混合安裝印刷電路板組裝的高可靠性焊接》，結(jié)合直升機(jī)使用電子元器件的工作溫度環(huán)境特點，設(shè)置溫度循環(huán)試驗條件為溫度范圍-50℃~100℃，高/低溫各滯留15min，溫變速率10℃·min-1，每次循環(huán)60min，循環(huán)次數(shù)200，分別開展YP1-1和YP2-1裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的溫度循環(huán)應(yīng)力試驗，將試驗后的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度循壞應(yīng)力試驗后元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)金相分析代表性圖片

由圖4可見，YP1-1和YP2-1的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)過溫度循環(huán)應(yīng)力試驗后，焊點均發(fā)生了明顯開裂，最大開裂長度分別為643.70μm和570.27μm，裂紋長度分別占焊接面長度的71.53% 和33.19%，均不滿足QJ3086A-2016中焊點的表面和內(nèi)部裂紋不應(yīng)超過整個焊料填充區(qū)域的25%要求，因此YP1-1和YP2-1裝聯(lián)結(jié)構(gòu)未通過該條件的溫度循環(huán)試驗考核。以上結(jié)果說明BGA和QFP電子元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性不高，如果在惡劣環(huán)境下使用，元器件的電氣聯(lián)接容易發(fā)生失效。直升機(jī)的工作環(huán)境比較復(fù)雜，需要適應(yīng)高溫炎熱、低溫嚴(yán)寒以及陰雨潮濕等環(huán)境，因此對電子元器件的耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性要求較高，直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備如需使用BGA和QFP電子元器件，建議采取點膠加固，提高元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性。

2.2.2 耐機(jī)械振動應(yīng)力可靠性分析

為分析BGA和QFP電子元器件與PCB裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的耐機(jī)械振動應(yīng)力可靠性，依據(jù)GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》中的方法2026.1，結(jié)合直升機(jī)使用電子元器件的振動環(huán)境特點，設(shè)置試驗條件為功率譜密度0.2g2·Hz-1，振動加速度均方根值169.1m·s-2，振動時間15min/軸，振動方向為X/Y/Z軸，分別開展YP1-2和YP2-2裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動應(yīng)力試驗，將試驗后的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，YP1-2和YP2-2的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)過機(jī)械振動應(yīng)力試驗后，焊點均未發(fā)生明顯開裂，滿足QJ3086A-2016要求，元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)通過該條件的機(jī)械振動應(yīng)力試驗考核，表明BGA和QFP電子元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)耐機(jī)械振動應(yīng)力可靠性較高。但是，相比其它航空裝備，直升機(jī)的振動環(huán)境更加復(fù)雜，整機(jī)振動表現(xiàn)為更加劇烈。因此直升機(jī)對電子元器件的耐機(jī)械振動應(yīng)力可靠性要求更高。為進(jìn)一步滿足直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備的使用需求，建議采取如合理優(yōu)化元器件在PCB布局，避免產(chǎn)生共振或者在電箱上直接設(shè)置減振裝置等。

圖5 機(jī)械振動應(yīng)力試驗后元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)金相分析代表性圖片

3 結(jié)論

(1)BGA和QFP電子器件裝聯(lián)工藝適應(yīng)性良好，通過回流焊接等成熟裝聯(lián)工藝可以形成良好的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)。但是，在儲存、運(yùn)輸以及使用等環(huán)節(jié)，還需要注意合適的包裝，防止碰撞、擠壓、污染以及腐蝕等破壞器件引腳共面性以及可焊性，避免形成裝聯(lián)結(jié)構(gòu)缺陷。

(2)通過回流焊接等典型裝聯(lián)工藝，分別形成BGA和QFP電子元器件與PCB的板級裝聯(lián)結(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷試驗條件為溫度范圍-50℃~100℃，高/低溫各滯留15min，溫變速率10℃·min-1，每次循環(huán)60min，循環(huán)次數(shù)200的溫度循環(huán)應(yīng)力試驗后，裝聯(lián)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯開裂，表明該裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性不高，若在相對惡劣的環(huán)境下使用時，元器件容易發(fā)生電氣聯(lián)接失效故障。直升機(jī)長期工作在溫度交變的環(huán)境之中，需要適應(yīng)高溫炎熱、低溫嚴(yán)寒、陰雨潮濕以及海洋鹽霧等環(huán)境，對電子元器件的耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性要求較高，若確需使用BGA和QFP電子元器件時，建議采取點膠加固或者優(yōu)化焊接工藝方法，提高電子元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)耐溫度循環(huán)應(yīng)力可靠性。

(3)通過回流焊接等典型裝聯(lián)工藝，分別形成BGA和QFP電子元器件與PCB的板級裝聯(lián)結(jié)構(gòu)，可耐受振動試驗條件為功率譜密度0.2g2?Hz-1，振動加速度均方根值169.1m?s-2，振動時間15min/軸，振動方向為X/Y/Z軸，表明它們的耐機(jī)械振動應(yīng)力可靠性較高。但是，相比于其它航空裝備，直升機(jī)的振動環(huán)境更加復(fù)雜，整機(jī)振動更加劇烈。因此直升機(jī)對電子元器件的耐機(jī)械振動應(yīng)力可靠性要求較高。為進(jìn)一步保證電子元器件耐機(jī)械振動應(yīng)力可靠性滿足直升機(jī)的使用需求，建議采取如合理優(yōu)化元器件在PCB布局，避免產(chǎn)生共振或者在電箱上直接設(shè)置減振裝置等。

4 應(yīng)用前景

基于論文研究結(jié)論，結(jié)合后續(xù)型號開展電子元器件的選型管理工作，總結(jié)得出幾點應(yīng)用前景可供參考，主要如下：

(1)在型號研制過程中，總師單位開展電子元器件選型指導(dǎo)與選用控制時，應(yīng)關(guān)注元器件裝聯(lián)可靠性。在進(jìn)行型號使用電子元器件清單優(yōu)選審查時，不僅要審查元器件的質(zhì)量等級、技術(shù)性能指標(biāo)等是否符合要求，還需審查電子元器件封裝選用是否合理，裝聯(lián)可靠性是否滿足裝備使用需求。

(2)在型號研制過程中，機(jī)載電子設(shè)備承制單位在確定使用BGA和QFP電子元器件時，需要制定提高電子元器件與PCB裝聯(lián)可靠性措施，防止由溫度循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致的元器件電氣聯(lián)接失效故障問題發(fā)生。建議承制單位在元器件裝聯(lián)時采取點膠加固措施，或者通過表面搪錫處理、合理選擇焊接材料、控制焊接時間等方法優(yōu)化焊接工藝，從而提高電子元器件裝聯(lián)可靠性，進(jìn)而確保能夠滿足直升機(jī)裝備在不同作戰(zhàn)環(huán)境下的使用需求。