電子整機企業(yè)的物料可靠性評估能力提升

劉天健

摘要 本文基于物料原因?qū)е码娮赢a(chǎn)品失效的大量案例、開展物料可靠性評估工作的常見問題，提出了提升物料可靠性評估能力的系統(tǒng)性解決方案，并結(jié)合具體實例，為電子整機企業(yè)開展物料可靠性評估工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】物料 可靠性評估

據(jù)統(tǒng)計，50%以上的整機失效是由于物料原因引起的。對物料進行可靠性評估，并進而選擇和使用可靠性適宜的物料，對于提高產(chǎn)品可靠性、降低產(chǎn)品返修率至關(guān)重要。本文基于物料原因?qū)е码娮赢a(chǎn)品失效的大量案例、開展物料可靠性評估工作的常見問題，提出了提升物料可靠性評估能力的系統(tǒng)性解決方案，并結(jié)合具體實例，為電子整機企業(yè)開展物料可靠性評估工作提供參考。

1 物料導(dǎo)致產(chǎn)品失效的案例

物料原因?qū)е碌漠a(chǎn)品失效不勝枚舉，主要分為以下三類：

1.1 物料選型不當(dāng)

如采用的開關(guān)電源管理芯片內(nèi)部MOS管耐壓能力不足，導(dǎo)致芯片被擊穿;電路中的鉭電容短路失效，引起安全事故;大阻值大功率碳膜電阻膜層氧化腐蝕導(dǎo)致電阻開路;靜電放電導(dǎo)致薄膜電阻失效;采用吸附作用顯著的防潮膠涂覆電阻，防潮膠吸附空氣中的硫元素與電阻銀電極發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致電阻阻值增大;數(shù)碼管內(nèi)部環(huán)氧膠與晶粒之間熱失配過大，導(dǎo)致正向壓降增大或開路;PCB板支架所添加的防靜電劑一烷基磺酸鈉在潮濕環(huán)境下析出導(dǎo)致PCB板離子污染而短路;采用PVC材質(zhì)的電控盒，電控盒析出的Cr離子在潮濕和電場環(huán)境下與銅箔發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致PCB開路;PCB板白色油墨與助焊劑/清洗劑不兼容，導(dǎo)致漂錫后白色絲印變紫。

1.2 物料質(zhì)量缺陷

如在浪涌電壓激勵下，芯片內(nèi)部發(fā)生閂鎖效應(yīng)導(dǎo)致芯片大電流燒毀;鍵合絲脫焊導(dǎo)致芯片輸出不穩(wěn)定;整流二極管臺面表面PN結(jié)受沾污導(dǎo)致工作時反向漏電流偏大;數(shù)碼管內(nèi)部PCB布線間存在可導(dǎo)電的雜質(zhì);供應(yīng)商更換鎳鉻電阻絲材質(zhì)，導(dǎo)致線繞電阻工作時開路失效;不同批次的電連接器，嚙合力、分離力的一致性差;連接器插針鍍層脫落;絕緣體材料漏電。

1.3 物料老化

如使用一定時間后，鋁電解電容器的電參數(shù)惡化，繼電器觸點接觸電阻變大，光耦的CTR變小。

2 開展物料可靠性評估工作的常見問題

物料種類太多，不知如何下手。電子整機企業(yè)使用的物料往往多達上萬個編碼，一般涉及以下物料類別：元器件（如半導(dǎo)體分立器件、集成電路、光電子器件、聲表面波器件、霍爾器件、電聲器件、開關(guān)、繼電器、連接器、微特電機、電線、電纜、電感、變壓器、電容、電阻、熔斷器等）;PCB;電子輔料（如焊錫膏、助焊劑、清洗劑、膠黏劑、三防漆等）;金屬構(gòu)件（如鋁合金立柱、金屬外殼、螺釘?shù)龋?高分子構(gòu)件（如注塑外殼、扇葉、濾網(wǎng)、支架等）。

物料評估時重視作用、忽略副作用。如某公司生產(chǎn)耳機海運出口，受到發(fā)霉困擾;某次展會了解到防霉片，通過驗證發(fā)現(xiàn)防霉效果不錯，于是投入使用;海運到岸后防霉片相鄰的耳機部件析出白色物質(zhì)，（由于不了解防霉片的防霉原理）導(dǎo)致整批產(chǎn)品報廢。某公司為解決靜電問題，直接在IGBT塑膠支架原料中添加抗靜電劑（添加前，塑膠支架的表面電阻Rs≥1011Ω，而添加抗靜電劑后的表面電阻大幅下降），導(dǎo)致IGBT失效引發(fā)市場批量退貨。

與物料管控標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的問題。如無標(biāo)準(zhǔn);有標(biāo)準(zhǔn)但不涉及可靠性的內(nèi)容;標(biāo)準(zhǔn)缺乏有效性;標(biāo)準(zhǔn)缺乏可操作性;檢測方法費時費財，不具備可行性等。

物料可靠性評估團隊的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)不全面。

3 怎樣提升物料可靠性評估能力

分類管理。梳理各物料的應(yīng)用范圍、工作剖面、環(huán)境剖面和可靠性要求，按照材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能對所有物料進行分類。

識別風(fēng)險。對各物料的風(fēng)險點，如物料自身的局限性、物料間的兼容性、物料與環(huán)境的適應(yīng)性等進行識別，分析其可能產(chǎn)生的影響并確定高風(fēng)險物料范圍。

建立體系。從物料選型、物料優(yōu)選和日常檢驗三個維度入手，通過管控物料結(jié)構(gòu)設(shè)計要點、材料選用要點、可靠性敏感參數(shù)、針對失效機理的應(yīng)力試驗、質(zhì)量一致性、試驗驗證方法、抽檢技術(shù)方法、設(shè)備操作和注意事項構(gòu)建物料可靠性評估技術(shù)體系。技術(shù)體系的內(nèi)在關(guān)系如圖1所示。

完善標(biāo)準(zhǔn)。針對對應(yīng)的物料，確定標(biāo)準(zhǔn)是否涵蓋完整（涉及范圍）;標(biāo)準(zhǔn)是否符合產(chǎn)品及設(shè)計要求（技術(shù)要求）;檢驗規(guī)則是否全面，檢驗項目選擇是否合理（檢驗規(guī)則）;評估方法是否準(zhǔn)確有效（檢驗方法）。

4 物料（焊錫膏）可靠性評估實例

4.1 焊錫膏的組成

合金焊料成份、焊劑的組成及合金焊料與焊劑的配比;合金焊料粉末顆粒尺寸、形狀和分布均勻性。

4.2 焊錫膏的作用

提供焊點的焊料;提供助焊劑，去除錫粉、元件表面和焊盤上的氧化物;在回流之前固定SMT元件。

4.3 焊錫膏使用后存在的風(fēng)險點見表1。

4.4 評估項目及目的

錫膏自身性能：合金粉末粒度大小及形狀分布（影響錫膏印刷性能）;金屬含量（影響錫膏特性及焊點質(zhì)量）;錫珠（存在時可引起臨近導(dǎo)體短路）;潤濕性（影響錫膏的焊接效果）;觸變性（影響錫膏的印刷性、粘著力和坍塌性）。

焊劑部分的性能：物理性能，如密度、黏度、閃點、物理穩(wěn)定性、水萃取液電阻率;含量測試，如酸值、鹵素含量、固體含量;焊接性能，如助焊劑（拓展率、相對潤濕力）;腐蝕性能，如銅板腐蝕、銅鏡腐蝕;焊后性能，如干燥度、離子殘留度、表面絕緣電阻、電遷移。

合金部分的性能（成熟的焊料則選關(guān)鍵指標(biāo)進行評估即可）：化學(xué)成份，如合金與雜質(zhì)元素分析;物理性能，如密度、硬度、熔點（液相線和固相線）、潤濕性、擴展率、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、延展性;機械力學(xué)性能，如抗拉強度、剪切強度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變、蠕變、熱機疲勞性能;工藝性能，如潤濕性（擴展率）、錫渣生成速率、溶銅速率、可維護性、工藝窗口;焊點可靠性，如金相組織穩(wěn)定性、焊點強度、熱疲勞壽命（溫度沖擊與溫度循環(huán)）、機械疲勞壽命（振動、跌落）、耐腐蝕性、錫須、錫疫。

錫膏與其他工藝輔料的兼容性：考察錫膏與其他配套使用的工藝輔料是否兼容。

錫膏焊接后的焊點質(zhì)量及可靠性：通過外觀、X-ray、金相切片、抗拉強度、溫度循環(huán)、隨機振動等手段，考察錫膏焊接后形成焊點的質(zhì)量及可靠性。

基于應(yīng)用需求和使用風(fēng)險，確定核心評估項目（如：表面絕緣電阻、電遷移、兼容性、銅板腐蝕、鹵素、離子殘留等）。

4.5 評估方法

確定每個評估項目分別應(yīng)用在哪些管控環(huán)節(jié)（如：物料認證、型式檢驗、來料檢驗、制造過程、成品檢驗、供應(yīng)商內(nèi)部等）;根據(jù)每個評估項目的工作機理，參考相關(guān)的測試試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，明確各評估項目的目的、條件、設(shè)備、程序和接收判據(jù)等，并確保評估的有效性及評估效率。

4.6 焊錫膏選用的一般原則

根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求來確定焊錫膏中助焊劑的類型;根據(jù)PCB上布線和焊盤間距確定所使用的焊錫膏中錫粉的粒度型號;根據(jù)焊接溫度、焊點強度、鉛要求等確定焊料主成份類型;注意組裝工藝與焊錫膏粘度的配套;需關(guān)注性能參數(shù)、兼容性、工藝適用性、焊接質(zhì)量與可靠性;供應(yīng)商供貨能力與品質(zhì)保證措施。

5 結(jié)語

電子整機企業(yè)物料種類繁多、功能各異、工作及環(huán)境剖面復(fù)雜，因此物料可靠性評估是一項龐大的工程。本文提出了提升物料可靠性評估能力的系統(tǒng)性解決方案，并結(jié)合具體實例，為電子整機企業(yè)開展物料可靠性評估工作提供參考。

參考文獻

[1][美] MIL-STD-883K.Test Me thodStandard for Microcircuits. 25 April 2016.

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[4]恩云飛編著，可靠性物理[M].電子工業(yè)出版社，2015.