直升機裝備BGA和QFP電子元器件裝聯可靠性研究

鐘鵬

（航空工業直升機設計研究所，天津，300000）

0 引言

直升機機載電子設備作為整機的核心功能組成部分，對于能否發揮出現代武器裝備戰斗力至關重要。隨著科技的不斷進步，直升機機載電子設備的技術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展[1]。直升機機載電子設備主要由若干個PCB（印制電路板，簡稱PCB）組裝件構成，而PCB組件是指電子元器件通過典型裝聯工藝在PCB上實現電氣互聯互通，最后經調試合格的產品[2]。

近年來，相關學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可靠性研究相對較少。直升機機載電子設備長期工作在溫度交變、強烈振動和復雜的電磁兼容環境中，導致電子元器件電氣聯接失效故障頻繁發生，嚴重影響機載電子設備的工作效率。因此，在設計與研究直升機機載電子設備可靠性時，不僅需要關注電子元器件本身可靠性是否達到裝備使用需求，還應重點關注電子元器件與印制版電路的裝聯可靠性是否滿足裝備使用需求。

綜上，有必要開展直升機裝備電子元器件的裝聯可靠性試驗，分析研究直升機裝備電子元器件的裝聯可靠性，并結合直升機裝備的工作環境與特點，探討如何提高直升機使用電子元器件的裝聯可靠性，以期為提高直升機機載電子設備可靠性提供有價值的參考。

1 電子元器件裝聯可靠性簡介

電子元器件的裝聯可靠性，也稱電子元器件與PCB裝聯結構中焊點的可靠性，是指電子元器件通過典型裝聯工藝與PCB形成的裝聯結構耐受環境應力能力，具體分為耐溫度循環應力可靠性與耐機械振動應力可靠性，一般可通過裝聯可靠性試驗或者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可靠性[3]。

本文主要介紹利用裝聯可靠性試驗研究直升機使用電子元器件的裝聯可靠性，具體工作流程包括裝聯前準備、元器件裝聯、裝聯后檢查、耐環境應力可靠性評價試驗、試驗后檢查及裝聯可靠性評價結論確定，如圖1所示。

圖1 電子元器件裝聯可靠性分析

由圖1可見，在開展裝聯可靠性試驗前，需要進行裝聯前準備，并通過典型裝聯工藝完成電子元器件與PCB的裝聯。在完成裝聯后，需要首先分析電子元器件與PCB的裝聯工藝適應性。其中，裝聯工藝適應性是指元器件對典型裝聯工藝的適應能力，一般通過對元器件預處理、回流焊接和焊接后質量檢查等方式進行分析評價。若電子元器件與PCB形成良好的裝聯結構，說明該電子元器件的裝聯工藝適應性良好，則可進一步對焊接完成的板卡組件開展機械振動、溫度循環試驗，并對試驗后的裝聯結構進行外觀檢查，最后通過分析可獲得該電子元器件的裝聯可靠性。

2 電子元器件裝聯可靠性典型案例分析

BGA和QFP電子元器件由于可靠性高，電氣聯接性能較好，因此得到廣泛使用。本節結合具體型號產品對電子元器件的裝聯可靠性進行分析研究，以廠家1自主研制的BGA封裝SΜQ2V1000-4型現場可編程門陣列和廠家2自主研制的QFP封裝SΜ1270型復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，試驗樣品的詳細信息見表1。

表1 樣品詳細信息

在完成焊盤設計后，經過回流焊接等典型裝聯工藝分別完成YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2與PCB的裝聯，形成裝聯結構如圖2所示。

圖2 元器件板級裝聯結構

2.1 裝聯工藝適應性分析

為研究BGA和QFP電子元器件的裝聯工藝適應性，在試驗前分別對YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2的裝聯結構進行X-ray檢查，結果如圖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電子元器件的裝聯工藝適應性良好，通過回流焊接等成熟裝聯工藝可以與PCB形成良好的裝聯結構。

圖3 試驗前裝聯結構X—ray檢查結果

2.2 裝聯可靠性分析

2.2.1 耐溫度循環應力可靠性分析

為研究BGA和QFP電子元器件與PCB裝聯結構的耐溫度循環應力可靠性，依據QJ3086A-2016《表面和混合安裝印刷電路板組裝的高可靠性焊接》，結合直升機使用電子元器件的工作溫度環境特點，設置溫度循環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60min，循環次數200，分別開展YP1-1和YP2-1裝聯結構的溫度循環應力試驗，將試驗后的裝聯結構進行金相分析，結果如圖4所示。

圖4 溫度循壞應力試驗后元器件裝聯結構金相分析代表性圖片

由圖4可見，YP1-1和YP2-1的裝聯結構經過溫度循環應力試驗后，焊點均發生了明顯開裂，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中焊點的表面和內部裂紋不應超過整個焊料填充區域的25%要求，因此YP1-1和YP2-1裝聯結構未通過該條件的溫度循環試驗考核。以上結果說明BGA和QFP電子元器件裝聯結構耐溫度循環應力可靠性不高，如果在惡劣環境下使用，元器件的電氣聯接容易發生失效。直升機的工作環境比較復雜，需要適應高溫炎熱、低溫嚴寒以及陰雨潮濕等環境，因此對電子元器件的耐溫度循環應力可靠性要求較高，直升機機載電子設備如需使用BGA和QFP電子元器件，建議采取點膠加固，提高元器件裝聯結構的耐溫度循環應力可靠性。

2.2.2 耐機械振動應力可靠性分析

為分析BGA和QFP電子元器件與PCB裝聯結構的耐機械振動應力可靠性，依據GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》中的方法2026.1，結合直升機使用電子元器件的振動環境特點，設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裝聯結構的機械振動應力試驗，將試驗后的裝聯結構進行金相分析，結果如圖5所示。

由圖5可見，YP1-2和YP2-2的裝聯結構經過機械振動應力試驗后，焊點均未發生明顯開裂，滿足QJ3086A-2016要求，元器件裝聯結構通過該條件的機械振動應力試驗考核，表明BGA和QFP電子元器件裝聯結構耐機械振動應力可靠性較高。但是，相比其它航空裝備，直升機的振動環境更加復雜，整機振動表現為更加劇烈。因此直升機對電子元器件的耐機械振動應力可靠性要求更高。為進一步滿足直升機機載電子設備的使用需求，建議采取如合理優化元器件在PCB布局，避免產生共振或者在電箱上直接設置減振裝置等。

圖5 機械振動應力試驗后元器件裝聯結構金相分析代表性圖片

3 結論

(1)BGA和QFP電子器件裝聯工藝適應性良好，通過回流焊接等成熟裝聯工藝可以形成良好的裝聯結構。但是，在儲存、運輸以及使用等環節，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，避免形成裝聯結構缺陷。

(2)通過回流焊接等典型裝聯工藝，分別形成BGA和QFP電子元器件與PCB的板級裝聯結構，在經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60min，循環次數200的溫度循環應力試驗后，裝聯結構出現明顯開裂，表明該裝聯結構的耐溫度循環應力可靠性不高，若在相對惡劣的環境下使用時，元器件容易發生電氣聯接失效故障。直升機長期工作在溫度交變的環境之中，需要適應高溫炎熱、低溫嚴寒、陰雨潮濕以及海洋鹽霧等環境，對電子元器件的耐溫度循環應力可靠性要求較高，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化焊接工藝方法，提高電子元器件裝聯結構耐溫度循環應力可靠性。

(3)通過回流焊接等典型裝聯工藝，分別形成BGA和QFP電子元器件與PCB的板級裝聯結構，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，表明它們的耐機械振動應力可靠性較高。但是，相比于其它航空裝備，直升機的振動環境更加復雜，整機振動更加劇烈。因此直升機對電子元器件的耐機械振動應力可靠性要求較高。為進一步保證電子元器件耐機械振動應力可靠性滿足直升機的使用需求，建議采取如合理優化元器件在PCB布局，避免產生共振或者在電箱上直接設置減振裝置等。

4 應用前景

基于論文研究結論，結合后續型號開展電子元器件的選型管理工作，總結得出幾點應用前景可供參考，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與選用控制時，應關注元器件裝聯可靠性。在進行型號使用電子元器件清單優選審查時，不僅要審查元器件的質量等級、技術性能指標等是否符合要求，還需審查電子元器件封裝選用是否合理，裝聯可靠性是否滿足裝備使用需求。

(2)在型號研制過程中，機載電子設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裝聯可靠性措施，防止由溫度循環應力導致的元器件電氣聯接失效故障問題發生。建議承制單位在元器件裝聯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化焊接工藝，從而提高電子元器件裝聯可靠性，進而確保能夠滿足直升機裝備在不同作戰環境下的使用需求。