電子產(chǎn)品裝聯(lián)可靠性驗證標(biāo)準(zhǔn)研究

李旭珍，劉丙金，馬安良，韓講周，閔衛(wèi)鋒，李小平

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

1 研究背景

隨著電子元器件封裝技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件封裝外形種類越來越多，微型化的精密元器件層出不窮，同時面臨復(fù)雜的國際競爭形勢，國產(chǎn)元器件實現(xiàn)快速發(fā)展，許多依賴進口的元器件逐漸實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但受到國內(nèi)工藝和封裝技術(shù)的水平限制，在技術(shù)不斷更新?lián)Q代的同時，也給電子產(chǎn)品的裝聯(lián)可靠性帶來的巨大的挑戰(zhàn)，因此對于電子產(chǎn)品裝聯(lián)可靠性的研究也成為一項迫在眉睫的工作。

目前，電子產(chǎn)品主要依靠焊接的方式實現(xiàn)元器件與印制電路板的有效連接，以達到預(yù)期的功能性能，許多研發(fā)設(shè)計人員往往關(guān)注產(chǎn)品的功能，而忽略了產(chǎn)品使用的可靠性。電子產(chǎn)品裝聯(lián)可靠性的研究在國外起步較早，許多國際知名電子企業(yè)都建立了一套可靠性驗證企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于驗證電子產(chǎn)品在完成組裝后使用的長期可靠性，從而不斷促進電子產(chǎn)品的質(zhì)量提升，而國內(nèi)電子行業(yè)起步較晚且缺少這方面的研究，導(dǎo)致新型封裝的元器件引入后，沒有充分進行裝聯(lián)可靠性驗證，從而出現(xiàn)不滿足預(yù)期使用壽命的產(chǎn)品故障，給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟和聲譽損失，尤其對于高可靠性行業(yè)，如航空航天、兵器船舶、醫(yī)療器械、汽車電子等，影響程度將更為深刻。因此，開展電子產(chǎn)品裝聯(lián)可靠性研究是十分必要的。

2 可靠性介紹

2.1 可靠性定義和可靠性試驗原理

產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，在接受的失效程度范圍內(nèi)，實現(xiàn)規(guī)定功能的能力。為分析評價產(chǎn)品的可靠性而進行的試驗稱為可靠性試驗?？煽啃栽囼灥脑硎峭ㄟ^模擬工作條件和環(huán)境條件，將各種工作模式及環(huán)境應(yīng)力按照一定的時間比例，按一定的循環(huán)次數(shù)反復(fù)施加到受試樣品上，經(jīng)過失效分析和處理，將得到的信息反饋到設(shè)計、制造、材料和管理部門進行改進，提高產(chǎn)品的固有可靠性。

2.2 裝聯(lián)可靠性的重要性

電子產(chǎn)品組裝密度的驟升和焊點的微型化給電子裝聯(lián)可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)，在許多場景下，電子裝聯(lián)可靠性已經(jīng)成為制約整個產(chǎn)品可靠性的瓶頸，而且這種趨向往后將更加突出。近年來，電子裝聯(lián)可靠性已成為產(chǎn)品可靠性的重要分支之一。在電子裝聯(lián)中，印制電路板與元器件之間的“連接”是一條主線，而焊接則為重中之重，占所有連接方式的95%以上。目前，電子產(chǎn)品中采用微電子器件和功能模組越來越多，微電子封裝中的焊點也越來越小，而其所承受的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷卻越來越重，對焊點可靠性要求日益增高。所以，焊點成為電子裝聯(lián)可靠性的關(guān)注焦點，如何評價其可靠性是裝聯(lián)工藝的核心內(nèi)容。

3 裝聯(lián)可靠性試驗

3.1 裝聯(lián)可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn)

一般情況下，電子產(chǎn)品裝聯(lián)可靠性試驗要求驗證的可靠性，是指典型條件下或?qū)嶋H使用中一般條件下的可靠性，而不是特殊或極端條件下的可靠性。因此，試驗條件應(yīng)當(dāng)選擇實際使用中最典型和代表性的條件，同時為了取得試驗結(jié)果的重復(fù)性和可比性，試驗方法必須標(biāo)準(zhǔn)化。目前，許多的可靠性試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)是適用于元器件或設(shè)備的，專門針對電子產(chǎn)品裝聯(lián)后所形成焊點的不多，主要有《表面焊接件加速可靠性試驗導(dǎo)則》（IPC—SM—785）和《表面安裝焊接連接的性能測試方法及鑒定要求》（IPC—9701A），其中上述兩個標(biāo)準(zhǔn)又引用了一些其他的具體試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)，如JESD22—A104D和IPC—TM—650。此外，由于可靠性試驗前后還需要對失效判據(jù)指標(biāo)進行測試或測量，因此會使用到IPC—A—610等焊點外觀的可接受標(biāo)準(zhǔn)。由于導(dǎo)致焊點失效的主要失效模式是溫度循環(huán)導(dǎo)致的焊點疲勞，所以常常使用溫度循環(huán)作為加速應(yīng)力，參考IPC—9701A等標(biāo)準(zhǔn)進行性產(chǎn)品焊點壽命的評估和預(yù)測[1]。

3.2 裝聯(lián)可靠性試驗方法

電子產(chǎn)品裝聯(lián)可靠性常見的可靠性試驗方法包括溫度循環(huán)試驗、溫度沖擊試驗、振動試驗、跌落試驗、高溫存儲試驗、濕熱試驗、霉菌鹽霧試驗、電遷移試驗等。

3.2.1 溫度循環(huán)試驗

焊點通常需要面對溫度變化的環(huán)境條件，比如日夜與季節(jié)導(dǎo)致的溫度變化、工作與非工作狀態(tài)的溫度變化、地理位置的改變導(dǎo)致的溫度變化等，這些溫度變化都會導(dǎo)致焊點材料的周期性蠕變，疲勞周期常常從焊料晶粒變大的形式開始，并可能在外露的表面上呈現(xiàn)凹凸不平，最終導(dǎo)致焊點的疲勞失效，焊點內(nèi)部金屬學(xué)演化過程如圖1所示。溫度循環(huán)試驗適用于揭示、評估由剪切應(yīng)力引起的“蠕變-應(yīng)力釋放”疲勞失效機理和可靠性，在電子裝聯(lián)焊點的失效分析和評價方面應(yīng)用最為廣泛[2]。

圖1 焊點內(nèi)部金屬學(xué)演化過程示例

3.2.2 溫度沖擊試驗

溫度沖擊試驗也稱為熱沖擊試驗，在熱沖擊中，極其迅速的溫度變化（≥30℃/min），將導(dǎo)致印制電路板組件的變形。變形將導(dǎo)致拉伸和剪切應(yīng)力，而且在整個熱穩(wěn)定狀態(tài)也一直存在拉伸應(yīng)力。這樣，即使熱膨脹系數(shù)匹配，在熱沖擊時也表現(xiàn)為焊點失效。因此，可以說溫度沖擊試驗適用于拉伸和剪切應(yīng)力引起的可靠性問題評價與分析。溫度沖擊試驗的目的是為了評估產(chǎn)品對周圍環(huán)境溫度急劇變化的適應(yīng)性，也用于暴露印制電路板上焊接存在短板的元器件。熱沖擊試驗參考的主要標(biāo)準(zhǔn)有《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程》（GB/T 2423）。

溫度沖擊試驗與溫度循環(huán)試驗有一定的相似性，但兩者有著本質(zhì)的不同。溫度沖擊試驗的溫度變化率通常要大于30℃/min，主要用于考量產(chǎn)品不同材料熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的可靠性問題，而溫度循環(huán)一般要小于20℃/min，通常用于模擬焊點的熱疲勞壽命。

3.2.3 振動試驗

電子產(chǎn)品在運輸或使用過程中都可能遇到不同頻率或不同強度的振動環(huán)境，這對產(chǎn)品的焊點可靠性是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。例如，車載電子設(shè)備會由于車輛的振動而產(chǎn)生振動，一般情況下，汽車、火車在運行過程中產(chǎn)生的振動加速度小于5.6 g，振動頻率范圍在2～8 Hz；民航飛機運行時產(chǎn)生的振動最大加速度可達20 g，頻率多在30Hz左右。當(dāng)振動激勵造成應(yīng)力過大時，會使焊點產(chǎn)生裂紋或斷裂。振動試驗一般可以分為隨機振動和正弦振動兩大類。正弦振動通常又分為正弦掃頻和共振耐久兩種。關(guān)于振動的試驗的具體試驗方法一般參考IEC標(biāo)準(zhǔn)，如IEC68—2—34、IEC 68—2—35、IEC 68—2—37，也可以參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2423等。

3.2.4 跌落試驗

跌落試驗主要是用來評估考察電子產(chǎn)品從一定高度上自由跌落下來的適應(yīng)性和經(jīng)受這種瞬間作用沖擊應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)或焊點的完整性。跌落試驗主要看考的標(biāo)準(zhǔn)有 JESD22—B104—C、JESD22—B110—A、JESD22—B111等。

3.2.5 其他試驗方法

除以上試驗方法外，還根據(jù)電子產(chǎn)品的使用環(huán)境進行一些其他的可靠性試驗方法，比如高溫儲存試驗主要用來考察電子產(chǎn)品在儲存條件下，溫度與時間的對產(chǎn)品的可靠性影響。濕熱試驗的目的是確定電子產(chǎn)品焊點在高溫高濕或有溫度、濕度變化的情況下工作或儲存的適應(yīng)性，濕熱試驗的失效判據(jù)一般是檢查外觀變色或枝晶生長與否。電遷移試驗主要是為了評估電子產(chǎn)品焊點或印制電路板組件發(fā)生電化學(xué)遷移的可能性。

3.2.6 可靠性評估

焊點的可靠性評價方法是多維度的，因此在對電子產(chǎn)品的可靠性進行測試評價前，要確定測試的方法，找出產(chǎn)品的薄弱點，只有這樣，才能對電子產(chǎn)品開展有效的可靠性評價。但對于電子產(chǎn)品裝聯(lián)來說，導(dǎo)致焊點失效的主要失效模式是溫度循環(huán)導(dǎo)致的疲勞，所以常常使用溫度循環(huán)作為加速應(yīng)力，在本研究中也將重點介紹對溫度循試驗方法的研究。

3.3 行業(yè)內(nèi)裝聯(lián)可靠性驗證標(biāo)準(zhǔn)調(diào)研

通過對電子產(chǎn)品行業(yè)內(nèi)多個知名單位調(diào)研得出，裝聯(lián)可靠性驗證標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行情況見表1。從調(diào)研結(jié)果來看，多個單位未建立裝聯(lián)可靠性的驗證標(biāo)準(zhǔn)，在有建立裝聯(lián)可靠性驗證標(biāo)準(zhǔn)的單位中，IPC—9701A[3]、ECSS—Q—ST—70—38C[4]以及航天標(biāo)準(zhǔn)QJ 3086A[5]為主要的采納標(biāo)準(zhǔn)，并且從整體調(diào)研結(jié)果來看，各單位也主要是通過溫度循試驗的方法對電子裝聯(lián)可靠性進行評價。

表1 行業(yè)內(nèi)裝聯(lián)可靠性驗證標(biāo)準(zhǔn)調(diào)研情況

4 可靠性試驗條件的確定

4.1 可靠性試驗的選擇原則

可靠性試驗的選擇原則：①試驗條件要能夠反映產(chǎn)品的使用條件，避免產(chǎn)生不存在的失效機理。②試驗時間可以參考以往的壽命試驗數(shù)據(jù)或者產(chǎn)品的維修數(shù)據(jù)，通常需要制造商與用戶一同確定。③應(yīng)該對試驗后的產(chǎn)品進行失效分析，確定失效的模式。④應(yīng)該針對薄弱點進行，重點考核影響產(chǎn)品可靠性大的因素進行。

4.2 溫度條件的確定

以溫度循環(huán)的試驗條件確定為例，選擇溫度測試條件時要謹(jǐn)慎，需要注意：特定測試條件下的Tmax盡可能地不超出印制板的玻璃化溫度范圍，若電子產(chǎn)品使用f（測試）為測試的循環(huán)頻率，f（產(chǎn)品）為使用的循環(huán)頻率。

目前，Norris-Landzberg公式是一種通過加速試驗結(jié)果推導(dǎo)使用環(huán)境中焊點壽命的重要方法，它考慮了溫度變化范圍、熱循環(huán)周期和熱循環(huán)頻率等因素對焊點失效壽命的影響。Norris-Landzberg公式如下：

公式（4）中：△TA為加速試驗下的溫度變化范圍；△TU為工作環(huán)境下的溫度變化范圍；fA為加速試驗下的每天熱循環(huán)周期的次數(shù)；fU為工作環(huán)境下每天熱循環(huán)周期的次數(shù)；TA為加速試驗下的最高溫度（單位K）；TU為工作環(huán)境下的最高溫度（單位K）。

4.3 循環(huán)次數(shù)評估

假設(shè)電子產(chǎn)品的△TA＝155℃、fA＝24次/d、TA＝373.15 K、△TU＝125℃、fU＝100/365次 /d、TU＝343.15 K，通過Norris-Landzberg公式可以計算出加速因子AF（MTTF）為41.34。假設(shè)測試時間為200 h，那電子產(chǎn)品的預(yù)計可靠性工作時間為8268h。

同理，通過產(chǎn)品的可靠性壽命要求反推測試時間也是可行的，因此使用加速因子（AF）的計算確定可靠性試驗所需的溫度循環(huán)條件是非常具有指導(dǎo)意義的。

4.4 方法驗證評估

根據(jù)溫度循環(huán)試驗條件的評估方法，對裝載到某電子產(chǎn)品上的陶瓷球柵陣列封裝器件的裝聯(lián)可靠性進行試驗驗證，通過實際試驗，進一步證明這種可靠性驗證方法的有效性，圖2是經(jīng)過一定次數(shù)的溫度循環(huán)試驗后，焊點的晶粒粗化并導(dǎo)致最終出現(xiàn)貫穿性裂紋的金相分析圖片。

圖2 焊點的晶粒粗化及貫穿性裂紋

5 結(jié)語

通過本研究，明確電子產(chǎn)品裝聯(lián)可靠性試驗的選擇原則，提供了一種通過使用加速因子評估溫度循環(huán)可靠性試驗的方法，為電子產(chǎn)品裝聯(lián)的可靠性驗證提供方法支持。由于電子產(chǎn)品種類繁多，并且產(chǎn)品的使用環(huán)境條件及可靠性等級要求也存在著差異，因此通過科學(xué)的方法確定每一種電子產(chǎn)品的可靠性驗證條件也是非常必要的。