機(jī)載電子設(shè)備溫循壽命試驗(yàn)方法探討

醋強(qiáng)一，成鑫，暢凡，焦遠(yuǎn)翔

1.航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065

2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072

飛機(jī)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備壽命的指標(biāo)要求越來(lái)越高，使用環(huán)境日益惡劣，各系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜程度及元器件集成度越來(lái)越高，對(duì)機(jī)載電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)[1]。溫度、振動(dòng)和濕度是最常遇見(jiàn)且造成機(jī)載電子設(shè)備故障最多的環(huán)境因素。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在機(jī)載電子設(shè)備故障中有52%是由環(huán)境作用引起的，而在這52%的故障中，由溫度因素引起的故障占40%，振動(dòng)占27%，濕度占19%[2-3]?？梢?jiàn)，溫度環(huán)境因素對(duì)機(jī)載電子設(shè)備可靠性的影響最顯著。器件封裝和電氣互聯(lián)技術(shù)是電子設(shè)備的核心技術(shù)之一。已有的研究表明，電子設(shè)備失效中的70%是由封裝失效引起的，而封裝失效的主要原因則是焊點(diǎn)的失效。在使用過(guò)程中，由于環(huán)境冷熱循環(huán)、功率循環(huán)及振動(dòng)沖擊等原因，焊點(diǎn)與元件、焊點(diǎn)與印制板（PCB）之間因熱膨脹系數(shù)不匹配而在焊點(diǎn)材料中產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力循環(huán)，從而發(fā)生塑性應(yīng)變和蠕變應(yīng)變的累積，造成熱疲勞破壞，是焊點(diǎn)發(fā)生失效的主要原因之一[4-5]。

隨著芯片封裝從帶引線的通孔插裝式封裝，發(fā)展到四周帶引線的表面貼裝封裝，直至現(xiàn)在的無(wú)引線球柵陣列封裝。芯片級(jí)封裝正朝著I/O端口數(shù)量越來(lái)越多、球柵間距越來(lái)越小，而芯片功能越來(lái)越多、尺寸越來(lái)越大的方向不斷發(fā)展，這使得器件受力越來(lái)越脆弱，電路板組件焊點(diǎn)的溫循壽命問(wèn)題變得越來(lái)越突出。而陶瓷封裝材料的熱膨脹系數(shù)低、彈性模量大的特點(diǎn)，更容易發(fā)生焊點(diǎn)熱疲勞失效。

國(guó)內(nèi)元器件廠家更多關(guān)注器件內(nèi)部的可靠性設(shè)計(jì)，在高可靠應(yīng)用領(lǐng)域常用陶瓷封裝器件，器件外部與印制板連接的可靠性設(shè)計(jì)方面有所欠缺。下游電子設(shè)備廠家選用元器件若缺乏經(jīng)驗(yàn)，三五年后會(huì)發(fā)生陶瓷封裝元器件焊點(diǎn)溫循疲勞開(kāi)裂的問(wèn)題。但在進(jìn)行故障分析時(shí)又都發(fā)現(xiàn)元器件和電子設(shè)備均已完成了鑒定試驗(yàn)。這些都說(shuō)明鑒定試驗(yàn)可能沒(méi)有充分驗(yàn)證元器件的焊點(diǎn)壽命。

本文主要探討傳統(tǒng)美軍標(biāo)機(jī)載電子設(shè)備鑒定試驗(yàn)條件是否能夠涵蓋裝備的溫循全壽命周期考核，研究適用機(jī)載電子設(shè)備高可靠使用的溫循考核標(biāo)準(zhǔn)。

1 機(jī)載電子設(shè)備鑒定試驗(yàn)條件分析

機(jī)載電子設(shè)備在定型前需要進(jìn)行環(huán)境鑒定試驗(yàn)和可靠性鑒定試驗(yàn)。目前裝備環(huán)境鑒定試驗(yàn)一般按照MIL-STD-810G[6]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，環(huán)境鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目中與壽命相關(guān)的試驗(yàn)考核為振動(dòng)耐久試驗(yàn)，溫度相關(guān)的試驗(yàn)僅適用于評(píng)價(jià)時(shí)間相對(duì)較短（數(shù)月而不是數(shù)年）的設(shè)備工作情況，溫循試驗(yàn)一般為-55～70℃共三個(gè)循環(huán)。沒(méi)有元器件焊點(diǎn)熱疲勞壽命考核要求?？煽啃澡b定試驗(yàn)按照MIL-HDBK-781A[7]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在電應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力綜合作用下進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)，這些應(yīng)力剖面真實(shí)模擬產(chǎn)品在使用中經(jīng)歷的實(shí)際環(huán)境。可靠性鑒定試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)度為平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTBF），系統(tǒng)越復(fù)雜，MTBF 值越小，試驗(yàn)時(shí)間越短，從幾百小時(shí)到幾千小時(shí)不等，考慮到試驗(yàn)周期和成本，一般會(huì)對(duì)其進(jìn)行加速試驗(yàn)。常見(jiàn)的可靠性鑒定試驗(yàn)溫循條件為-55～70℃每8h 一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行100 個(gè)循環(huán)左右。其與全壽命考核是兩個(gè)范疇，可靠性鑒定試驗(yàn)時(shí)間不足以證明機(jī)載電子設(shè)備能夠滿足飛機(jī)全壽命周期使用。并且目前大量的學(xué)者和行業(yè)公司已經(jīng)意識(shí)到MTBF預(yù)計(jì)的局限性和不準(zhǔn)確性，已轉(zhuǎn)向故障物理（PoF）方法的探索中。元器件試驗(yàn)一般按照MIL-STD-883G[8]標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其試驗(yàn)項(xiàng)目只針對(duì)元器件本體進(jìn)行驗(yàn)證，不包含元器件與印制板焊接可靠性的驗(yàn)證。因此會(huì)導(dǎo)致有的元器件廠家忽視元器件焊點(diǎn)或引線的溫循可靠性設(shè)計(jì)，給使用者帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，傳統(tǒng)的電子設(shè)備環(huán)境鑒定試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)、元器件鑒定試驗(yàn)不能充分驗(yàn)證元器件焊點(diǎn)的熱疲勞壽命，無(wú)法涵蓋設(shè)備的全壽命周期考核。

2 機(jī)載電子設(shè)備高可靠溫循試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究

機(jī)載電子設(shè)備按照產(chǎn)品真實(shí)的熱振環(huán)境和壽命指標(biāo)進(jìn)行壽命考核較為準(zhǔn)確，但是對(duì)于長(zhǎng)壽命高可靠產(chǎn)品是不現(xiàn)實(shí)的，時(shí)間周期長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高，一般采用加速試驗(yàn)驗(yàn)證方法?，F(xiàn)有的關(guān)于電子設(shè)備高可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有:國(guó)際電子工業(yè)連接協(xié)會(huì)IPC-9701A[9]、歐空局ECSS-Q-ST-70-38C[10]和美國(guó)VITA47.1-2019[11]等。

IPC-9701A 標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境和壽命要求的不同，劃分了不同等級(jí)的溫循范圍、循環(huán)次數(shù)，以及試驗(yàn)樣品數(shù)量、印制板厚度等參數(shù)，但沒(méi)有明確該怎么選擇這些試驗(yàn)參數(shù)，讓廠家自己定義，可操作性不強(qiáng)。

ECSS-Q-ST-70-38C 標(biāo)準(zhǔn)中第14 章節(jié)明確了振動(dòng)和溫循試驗(yàn)條件，溫循條件為:-55～100℃，高低溫駐留時(shí)間為15min，每一循環(huán)持續(xù)時(shí)間61min，循環(huán)次數(shù)為500次。具體如圖1所示。

圖1 ECSS-Q-ST-70-38C溫循試驗(yàn)條件Fig.1 ECSS-Q-ST-70-38C condition of temperature cycling

VITA47.1標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)可拔插模塊的使用惡劣條件，將其環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行等級(jí)劃分。其溫度循環(huán)條件從低到高分為C1、C2、C3、C4 的4 個(gè)等級(jí)，具體見(jiàn)表1。其要求鉛基焊料在每個(gè)周期溫度穩(wěn)定后的每個(gè)極端溫度的最小停留時(shí)間應(yīng)為15min，無(wú)鉛和混裝焊料最小停留時(shí)間應(yīng)為30min。模塊的溫度在5min內(nèi)變化小于2℃時(shí)，認(rèn)為達(dá)到溫度穩(wěn)定，溫升最大斜率應(yīng)為20℃/min。

表1 VITA47.1溫循試驗(yàn)條件Table 1 VITA47.1 condition of temperature cycling

ECSS-Q-ST-70-38C 標(biāo)準(zhǔn)的溫循條件時(shí)間固定，不考慮試件溫度穩(wěn)定所需時(shí)間，適用于熱容比較小的單板級(jí)高可靠焊接工藝驗(yàn)證，對(duì)于熱容比較大的模塊或整機(jī)是不適用的。VITA47.1標(biāo)準(zhǔn)考慮試件溫度穩(wěn)定所需時(shí)間，適用于熱容比較大的模塊和整機(jī)級(jí)溫循壽命驗(yàn)證。ECS-Q-ST-70-38C 和VITA47.1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溫循次數(shù)都要求500 個(gè)，VITA47.1標(biāo)準(zhǔn)有不同等級(jí)的溫度范圍要求，其最嚴(yán)酷的C4標(biāo)準(zhǔn)溫循范圍大于ECSS-Q-ST-70-38C 標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)國(guó)防裝備公司均以產(chǎn)品滿足VITA47.1標(biāo)準(zhǔn)溫循C4等級(jí)試驗(yàn)挑戰(zhàn)作為其可靠性的賣(mài)點(diǎn)[12]，可見(jiàn)此試驗(yàn)的重要性。綜合對(duì)比各標(biāo)準(zhǔn)的溫循試驗(yàn)條件（見(jiàn)表2），可看出VITA47.1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子產(chǎn)品壽命驗(yàn)證更全面。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)溫循試驗(yàn)對(duì)比表Table 2 Comparison between temperature cycling standard

3 機(jī)載電子設(shè)備溫循試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證機(jī)載電子設(shè)備耐溫循壽命的能力，對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備按照VITA47.1—2019 標(biāo)準(zhǔn)溫循C4 等級(jí)設(shè)計(jì)溫循試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)溫度測(cè)試得到其達(dá)到高溫和低溫穩(wěn)定時(shí)間為60min，因此設(shè)備一個(gè)溫循周期時(shí)間為150min。每20 個(gè)溫度循環(huán)進(jìn)行一次上電測(cè)試，記錄產(chǎn)品狀態(tài)，定位失效元器件，進(jìn)行金相剖切分析。

試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)某CBGA 封裝器件低鉛焊接狀態(tài)在80 個(gè)溫循后首先發(fā)生失效（見(jiàn)圖2），相同封裝器件高鉛焊接狀態(tài)在340 個(gè)溫循后發(fā)生失效（見(jiàn)圖3）。通過(guò)金相剖切分析可看到，兩種焊接狀態(tài)焊點(diǎn)均存在疲勞裂紋，裂紋附近組織粗化，屬于典型熱疲勞裂紋。實(shí)際使用時(shí)，也是此CBGA低鉛焊接元器件首先發(fā)生熱疲勞失效，說(shuō)明此試驗(yàn)方法可以識(shí)別熱疲勞薄弱元器件。同時(shí)可看出CBGA封裝器件低鉛焊接的焊點(diǎn)壽命較低，高鉛焊接狀態(tài)焊點(diǎn)壽命較高，這是由于低鉛焊點(diǎn)屬于塌陷焊點(diǎn)，焊點(diǎn)高度較低，高鉛焊點(diǎn)屬于非塌陷焊點(diǎn)，焊點(diǎn)高度較高。這就使得電子設(shè)備在溫循熱脹冷縮過(guò)程中，低鉛焊點(diǎn)的剪切應(yīng)變大于高鉛焊點(diǎn)，更容易先發(fā)生熱疲勞失效。

圖2 CBGA低鉛焊點(diǎn)裂紋形貌Fig.2 CBGA low Pb solder joint crack morphology

圖3 CBGA高鉛焊點(diǎn)裂紋形貌Fig.3 CBGA high Pb solder joint crack morphology

4 結(jié)論

針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備溫循壽命問(wèn)題，研究了適用于機(jī)載電子設(shè)備高可靠溫循壽命的考核標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論如下:

（1）傳統(tǒng)的美軍標(biāo)機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境鑒定試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)、元器件鑒定試驗(yàn)不能充分驗(yàn)證元器件焊點(diǎn)的熱疲勞壽命，無(wú)法涵蓋設(shè)備的全壽命周期考核。

（2）ECSS-Q-ST-70-38C標(biāo)準(zhǔn)適用于板級(jí)高可靠溫循壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，VITA47.1標(biāo)準(zhǔn)適用于模塊級(jí)和整機(jī)級(jí)電子設(shè)備溫循壽命驗(yàn)證。

（3）通過(guò)VITA47.1溫循試驗(yàn)驗(yàn)證了CBGA封裝器件低鉛焊點(diǎn)比高鉛焊點(diǎn)更容易先發(fā)生熱疲勞失效，與實(shí)際情況相符。

后續(xù)還需研究機(jī)載電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)溫循試驗(yàn)壽命與實(shí)際使用壽命之間的關(guān)系，以便能夠快速評(píng)估產(chǎn)品的使用壽命。