軍用電子模塊無鉛焊點可靠性分析

展亞鴿

摘 要：電子產品中焊點的可靠性直接關系到產品的使用壽命，但目前無鉛焊點的可靠性還存在觀望或爭議，由于軍用電子產品使用場合和使用環境的特殊性，對無鉛材料及無鉛制造的使用還在調研階段。從無鉛焊點可靠性實驗驗證和利用有限元分析對焊點力學性能、疲勞壽命方面來研究無鉛焊點可靠性，對軍用電子產品無鉛化實施具有重要的理論價值和實際意義。

關鍵詞：電子焊接;可靠性;無鉛焊接

隨著科學技術的飛速發展，表面組裝技術（SMT：Surface Mount Technology）作為新一代的電子裝聯技術已經滲透到經濟的各個領域。由于SMT技術具有使電子產品微型化、薄型化、輕量化、容易實現自動裝配以及降低生產成本等一系列優越性，在技術發達國家已部分乃至完全替代了傳統的電子元器件通孔安裝技術（THT：Through Hole Technology），使電子裝聯技術發生了根本性的、革命性的變革。

目前，SMT正朝著高密度、高精度、更高可靠性、多樣化和“綠色”組裝方向迅速發展。在采用 SMT 技術進行互聯的電子產品中，元器件與印制電路板（PCB：Printed Circuit Board）之間主要是通過焊點來實現互聯的，焊點既起到機械支撐又起到電氣互聯的作用，焊點的可靠性直接關系到 SMT 產品的使用壽命。目前，在失效的微電子產品中，焊點失效是主要原因。

焊點的失效一方面來源于生產裝配工序中的焊接故障。其中，最為常見的是釬料橋連、虛焊、焊接處形成焊珠、立碑等故障;其次當環境溫度或通斷電狀態變化時，由于基板和元件材料的熱膨脹系數的差別，導致釬料產生粘性行為，出現蠕變損傷。還有是在使用過程中，由于不可避免的沖擊、振動等造成焊點的機械損傷。另外在振動、熱循環及濕熱等外界環境因素影響下，導致焊點內無法避免地發生交變的彈塑性應變及蠕變，由于反復的應變積累使得焊點出現疲勞失效。據統計，在電子設備的故障中，有 50%是由于印制電路板焊接的故障引起的，而對于熱應力比較敏感的表面貼裝形式的焊點質量問題更為嚴重，焊接造成的缺陷占總缺陷的 70%，正如疲勞專家 Steinberg 所說：“焊點的可靠性如此重要，以致本行的人認為電子設備的可靠性就是焊點的可靠性，在焊點尺寸變得越來越小的情況下，焊點成為最容易發生失效的連接環節，一定得進行優化設計提高可靠性壽命，所以，焊點的可靠性是封裝技術及電子組裝領域需要解決的重要課題。焊點可靠性問題一般指電子元器件和組件在服役條件下，由于熱循環、振動和沖擊等外界環境因素的影響，連接 PCB 與器件的焊點內產生周期性的應變應力，導致裂紋的形成與擴展，最終使得焊點失效。

目前，電子設備可靠性的研究方向是準確預測電子設備的無故障工作時間，慮振動和熱循環工作環境，探討實現無故障工作壽命預測的完整模型。焊點有限疲勞壽命時若不把振動沖擊等因素考慮在內必將導致錯誤的結果，動態載荷會在焊點內引起動態應力，它和焊點低周疲勞相互作用，會影響焊點的失效機制，大大加速焊點失效進程。在某種情況下，振動沖擊所引起的疲勞失效甚至會變成主要失效原因。由于 SMT 生產中普遍采用的錫鉛釬料的含鉛量達到 40%左右，隨著公眾環保意識的增強，人們已經認識到含鉛釬料對環境和人體健康的威脅，特別是歐盟出臺關于廢棄電氣電子儀器法案及特定有害物質的使用限制指令的全面實施，含鉛釬料已逐漸被無鉛釬料所代替;但是相比于應用多年成熟的有鉛焊接工藝下的焊點可靠性，無鉛焊點可靠性還存在觀望或爭議;另外軍用電子產品由于使用場合和使用環境的特殊性，需要承受高強度機械應力、熱應力、射線輻射應力、電應力等苛刻的環境條件，所有這些情況都決定了焊點可靠性必將成為軍用電子產品十分重要的參數指標。鑒于以上原因，軍用電子產品中無鉛焊點可靠性的研究對指導和服務軍用集成電路的研制和生產，延長軍事裝備的使用壽命和在嚴酷環境的使用效能，加強國防現代化建設都有著十分重要的意義。因此，研究新型無鉛釬料焊點的可靠性尤為重要。

人們不斷要求電子設備輕薄短小、高性能、高功能，使得超小型便攜電子設備的需求急速增加，微組裝技術應此而生。 微組裝技術是在高密度多層互連基板上， 用微型焊接和封裝 工藝把構成電子電路的各種微型元器件 （集成電路芯片及片 式元件）組裝起來，形成高密度、高速度、高可靠、立體結構的 微電子產品（組件、部件、子系統、系統）的綜合性高技術。 微組 裝技術作為一種綜合性高技術，它涉及到物理學、化學、機械 學、光學及材料等諸多學科，集中了半導體 IC 制造技術、無源 元件制造技術、電路基板制造技術、材料加工技術以及自動化 控制等技術。 隨著高密度封裝的廣泛使用，促使電子裝聯技術 從設備到工藝都將向著適應精細化組裝的要求發展。

現代社會的發展對電子控制的要求越來越高，電子技術的發展使電子產品的服役環境更趨惡劣。如功能的多樣化及結構的小型化，使得電子器件的功率更大，溫度更高，從而使焊點產生的應力應變也更大，特別是在航空、航天和軍事等高可靠性應用領域，在熱應力和動態應力綜合作用情況下，焊點的裂紋擴展進程會加快，焊點將提前失效。因此焊點的可靠性已得到了普遍重視和廣泛研究。預測焊點疲勞壽命需用到應力應變數據，在早期主要通過實驗循環測試手段獲得所需數據，可是隨著電子產品越來越小，焊點尺寸也越來越小，要通過實驗獲得疲勞壽命計算所需應力應變數據非常困難，另外，在實驗中只能測量出焊點表面或平均的應變值，而且必須制作適合的試件，實驗設備還得滿足很高的精度要求。

目前國內外研究人員在預測分析焊點可靠性壽命時，主要在粘彈性力學、斷裂力學和彈性力學等理論基礎上，采用有限元數值模擬的方法。上述中大量的文獻資料表明有限元數值分析方法與可靠性實驗得出的結果相差較小，可以用有限元數值分析方法來代替實驗方法，故在試驗條件難以為達到的情況下，用有限元仿真的方法可以代替可靠性試驗方法來對焊點進行可靠性研究。通過可靠性強化實驗分析驗證焊點可靠性，用有限元仿真的方法進行失效模式驗證，并在綜合加載下條件下進行無鉛焊點的壽命預測將成為焊點可靠性研究工作的發展趨勢。

人們對電子產品追求微型化、薄型化、更高性能等要求永無止境，現有裝聯工藝技術終極發展對此有些無能為力，未來 電子元氣件、封裝、安裝等產業將發生重大變革，將由芯片封裝安裝→再到整機的由前決定后的垂直生產鏈體系，轉 變為前后彼此制約的平行生產鏈體系， 工藝技術路線也必將 作出重大調整，以適應生產鏈的變革;PCB、封裝和器件將融 合成一體，傳統的使用機械鑿刻（通過化學反應）最終達到非 常小尺度的工具不再有優勢。 電子裝聯工藝技術逐漸放棄以 往的工具、技術和模型，最終將沿著分子生物學的線索走向分 子水平。

參考文獻：

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