電子產品裝聯可靠性驗證標準研究

李旭珍，劉丙金，馬安良，韓講周，閔衛鋒，李小平

（1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2.西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065）

1 研究背景

隨著電子元器件封裝技術的飛速發展，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，同時面臨復雜的國際競爭形勢，國產元器件實現快速發展，許多依賴進口的元器件逐漸實現了國產化，但受到國內工藝和封裝技術的水平限制，在技術不斷更新換代的同時，也給電子產品的裝聯可靠性帶來的巨大的挑戰，因此對于電子產品裝聯可靠性的研究也成為一項迫在眉睫的工作。

目前，電子產品主要依靠焊接的方式實現元器件與印制電路板的有效連接，以達到預期的功能性能，許多研發設計人員往往關注產品的功能，而忽略了產品使用的可靠性。電子產品裝聯可靠性的研究在國外起步較早，許多國際知名電子企業都建立了一套可靠性驗證企業標準，用于驗證電子產品在完成組裝后使用的長期可靠性，從而不斷促進電子產品的質量提升，而國內電子行業起步較晚且缺少這方面的研究，導致新型封裝的元器件引入后，沒有充分進行裝聯可靠性驗證，從而出現不滿足預期使用壽命的產品故障，給企業帶來很大的經濟和聲譽損失，尤其對于高可靠性行業，如航空航天、兵器船舶、醫療器械、汽車電子等，影響程度將更為深刻。因此，開展電子產品裝聯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

產品在規定條件下和規定時間內，在接受的失效程度范圍內，實現規定功能的能力。為分析評價產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^模擬工作條件和環境條件，將各種工作模式及環境應力按照一定的時間比例，按一定的循環次數反復施加到受試樣品上，經過失效分析和處理，將得到的信息反饋到設計、制造、材料和管理部門進行改進，提高產品的固有可靠性。

2.2 裝聯可靠性的重要性

電子產品組裝密度的驟升和焊點的微型化給電子裝聯可靠性帶來巨大挑戰，在許多場景下，電子裝聯可靠性已經成為制約整個產品可靠性的瓶頸，而且這種趨向往后將更加突出。近年來，電子裝聯可靠性已成為產品可靠性的重要分支之一。在電子裝聯中，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、電學和熱學負荷卻越來越重，對焊點可靠性要求日益增高。所以，焊點成為電子裝聯可靠性的關注焦點，如何評價其可靠性是裝聯工藝的核心內容。

3 裝聯可靠性試驗

3.1 裝聯可靠性試驗標準

一般情況下，電子產品裝聯可靠性試驗要求驗證的可靠性，是指典型條件下或實際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，試驗條件應當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果的重復性和可比性，試驗方法必須標準化。目前，許多的可靠性試驗方法的標準大多數是適用于元器件或設備的，專門針對電子產品裝聯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），其中上述兩個標準又引用了一些其他的具體試驗方法和標準，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指標進行測試或測量，因此會使用到IPC—A—610等焊點外觀的可接受標準。由于導致焊點失效的主要失效模式是溫度循環導致的焊點疲勞，所以常常使用溫度循環作為加速應力，參考IPC—9701A等標準進行性產品焊點壽命的評估和預測[1]。

3.2 裝聯可靠性試驗方法

電子產品裝聯可靠性常見的可靠性試驗方法包括溫度循環試驗、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 溫度循環試驗

焊點通常需要面對溫度變化的環境條件，比如日夜與季節導致的溫度變化、工作與非工作狀態的溫度變化、地理位置的改變導致的溫度變化等，這些溫度變化都會導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凹凸不平，最終導致焊點的疲勞失效，焊點內部金屬學演化過程如圖1所示。溫度循環試驗適用于揭示、評估由剪切應力引起的“蠕變-應力釋放”疲勞失效機理和可靠性，在電子裝聯焊點的失效分析和評價方面應用最為廣泛[2]。

圖1 焊點內部金屬學演化過程示例

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），將導致印制電路板組件的變形。變形將導致拉伸和剪切應力，而且在整個熱穩定狀態也一直存在拉伸應力。這樣，即使熱膨脹系數匹配，在熱沖擊時也表現為焊點失效。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品對周圍環境溫度急劇變化的適應性，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準有《電工電子產品基本環境試驗規程》（GB/T 2423）。

溫度沖擊試驗與溫度循環試驗有一定的相似性，但兩者有著本質的不同。溫度沖擊試驗的溫度變化率通常要大于30℃/min，主要用于考量產品不同材料熱膨脹系數不匹配導致的可靠性問題，而溫度循環一般要小于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境，這對產品的焊點可靠性是一個嚴峻的挑戰。例如，車載電子設備會由于車輛的振動而產生振動，一般情況下，汽車、火車在運行過程中產生的振動加速度小于5.6 g，振動頻率范圍在2～8 Hz；民航飛機運行時產生的振動最大加速度可達20 g，頻率多在30Hz左右。當振動激勵造成應力過大時，會使焊點產生裂紋或斷裂。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。關于振動的試驗的具體試驗方法一般參考IEC標準，如IEC68—2—34、IEC 68—2—35、IEC 68—2—37，也可以參考國家標準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品從一定高度上自由跌落下來的適應性和經受這種瞬間作用沖擊應力作用下的結構或焊點的完整性。跌落試驗主要看考的標準有 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，還根據電子產品的使用環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品在儲存條件下，溫度與時間的對產品的可靠性影響。濕熱試驗的目的是確定電子產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性，濕熱試驗的失效判據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品焊點或印制電路板組件發生電化學遷移的可能性。

3.2.6 可靠性評估

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

3.3 行業內裝聯可靠性驗證標準調研

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

表1 行業內裝聯可靠性驗證標準調研情況

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品的使用條件，避免產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據或者產品的維修數據，通常需要制造商與用戶一同確定。③應該對試驗后的產品進行失效分析，確定失效的模式。④應該針對薄弱點進行，重點考核影響產品可靠性大的因素進行。

4.2 溫度條件的確定

以溫度循環的試驗條件確定為例，選擇溫度測試條件時要謹慎，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，若電子產品使用f（測試）為測試的循環頻率，f（產品）為使用的循環頻率。

目前，Norris-Landzberg公式是一種通過加速試驗結果推導使用環境中焊點壽命的重要方法，它考慮了溫度變化范圍、熱循環周期和熱循環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為工作環境下的溫度變化范圍；fA為加速試驗下的每天熱循環周期的次數；fU為工作環境下每天熱循環周期的次數；TA為加速試驗下的最高溫度（單位K）；TU為工作環境下的最高溫度（單位K）。

4.3 循環次數評估

假設電子產品的△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。假設測試時間為200 h，那電子產品的預計可靠性工作時間為8268h。

同理，通過產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條件是非常具有指導意義的。

4.4 方法驗證評估

根據溫度循環試驗條件的評估方法，對裝載到某電子產品上的陶瓷球柵陣列封裝器件的裝聯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是經過一定次數的溫度循環試驗后，焊點的晶粒粗化并導致最終出現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 結語

通過本研究，明確電子產品裝聯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可靠性試驗的方法，為電子產品裝聯的可靠性驗證提供方法支持。由于電子產品種類繁多，并且產品的使用環境條件及可靠性等級要求也存在著差異，因此通過科學的方法確定每一種電子產品的可靠性驗證條件也是非常必要的。