機載電子設備元器件焊點熱疲勞壽命研究

摘要針對機載電子設備元器件焊點熱疲勞失效問題，研究了適合工程應用的元器件焊點熱疲勞壽命評估方法，提出了基于應變能的經驗公式適合印制板組件級多元器件熱疲勞壽命的評估。探討了元器件焊點熱疲勞壽命的加速試驗方法，通過加速試驗案例證明試驗可行，仿真計算可信。研究結果表明，元器件焊點熱疲勞壽命仿真和加速試驗方法適合工程應用。

關鍵詞機載電子設備元器件焊點熱疲勞壽命仿真加速試驗

中圖分類號 TH123

AbstractAiming at the problem of thermal fatigue of solder joints for airborne electronic equipment ， the evaluation method of thermal fatigue life of solder jointssuitable for engineering application wasstudied ， considered that the empirical equation based on strain energy was suitable for multiple components on PCBA . The accelerated test method of thermal fatigue life of solder joints was discussed ， the accelerated test case proved that the test was feasible ， and the simulation was credible . The results indicated that thesimulation and accelerated test method of thermal fatigue lifeof solder joints weresuitable for engineering application.

Key wordsAirborne electronic equipment;Solder joints;Thermal fatigue life;Simulation;Accelerated test

Corresponding author ： CU QiangYi ，E-mail ： cuqy@163.com ， Tel ：+86-29-89186361

The project supported by the National Science and Technology Major Project （ No .2017-V-0014-0066）.

Manuscript received 20201111 in revised form 20210108.

引言

飛機對機載電子設備壽命的指標要求越來越高，使用環境日益惡劣，各系統設備的復雜程度及元器件集成度越來越高，給機載電子設備可靠性設計提出了新的挑戰。溫度、振動和濕度是最常遇見、且造成機載設備故障最多的環境因素。有統計數據表明：在機載電子設備故障中有52%是由環境作用引起的，而在這52%的故障中，由溫度因素引起的故障占40%，振動占27%，濕度占19%[1-2]。可見溫度環境因素對機載電子設備可靠性的影響最顯著。

器件封裝和電氣互聯技術是電子設備的核心技術之一。己有的研究表明，電子設備失效中的70%是由封裝失效引起的，而封裝失效的主要原因則是焊點的失效。在使用過程中，由于環境冷熱循環、功率循環及振動沖擊等原因，焊點與元件、焊點與印制板（ PCB）之間因熱膨脹系數不匹配而在焊點材料中產生較大的交變應力循環，從而發生塑性應變和蠕變應變的累積，造成熱疲勞破壞，是焊點發生失效的主要原因之一[3-4]。隨著芯片封裝從帶引線的通孔插裝式封裝，發展到四周帶引線的表面貼裝封裝，直至現在的無引線球柵陣列封裝。芯片級封裝正朝著 I/O 端口數量越來越多、球柵間距越來越小，而芯片功能越來越多、尺寸越來越大的方向不斷發展，這使得器件封裝及電路板組件焊點的可靠性問題變得越來越突出，對電氣互聯技術的挑戰也日益嚴峻。

目前有部分機載電子設備經過了鑒定試驗的考核，使用5 a 后，發現有器件脫焊現象。除了焊接工藝和元器件缺陷等因素，元器件焊點的熱疲勞失效是其主要問題。本文研究內容為：研究適合工程應用的元器件焊點熱疲勞壽命評估方法和加速試驗方法。1 元器件焊點熱疲勞壽命評估方法

機載電子設備一般包含多個印制板組件，每個印制板組件上有大量的元器件，不同封裝元器件焊點數量眾多各異，導致印制板組件級元器件焊點熱疲勞壽命計算難度較大。本節研究適合工程應用的印制板組件級元器件焊點熱疲勞壽命評估方法，包括元器件焊點熱疲勞壽命預測模型和印制板組件焊點熱疲勞壽命計算兩部分。

1.1元器件焊點熱疲勞壽命預測模型

常用的63Sn37Pb 焊料屬于軟焊料，熔點溫度在183℃，焊料在工作狀態下處于力學高溫狀態。焊料存在明顯的蠕變、應力松弛等非線性力學行為，表現出應變與時間相關的黏性力學特性。隨著對焊料力學特性認識的深入，采用單方程形式的黏塑性本構方程 Anand 方程對焊料力學行為進行描述目前已獲得廣泛認同[5-6]。由于焊點在熱循環時發生塑性變形，因此其壽命屬于低周疲勞范疇[7] ，焊點是有壽件。

目前焊點疲勞壽命預測理論主要基于塑性應變損傷理論（ Engelmaier 方法[8-9] ）和能量累積理論（ Darveaux 方法[10]）。塑性應變損傷理論用于描述承受一定程度的約束和存在局部塑性流動的情況下器件疲勞問題，通過計算焊點在熱循環過程中的剪切塑性應變幅Δγ，采用單一連續介質方程描述疲勞壽命 Nf

式中，Δγ為剪切塑性應變范圍;ε′f 為疲勞延性系數，對于焊點廣泛采用的 SnPb 共晶焊料，ε′f=0.325;c 為經過溫度和頻率修正的疲勞延性指數，見公式（2）， Tm 為循環平均溫度，f 為每天循環次數

此方法在工程應用有兩個難點：其一，式（1）沒有給出ε′f 無鉛焊料的參數，公式（2）適用于溫度范圍較小的情況（-20℃～50℃）的參數 c 計算，機載環境一般在（-55℃～70℃），超出溫度適用范圍，會導致上述公式的失效。其二，通過有限元法對于元器件和焊點數量較少的印制板組件進行全模型仿真計算效率尚可接受，但是對于高密度組裝印制板組件，其上面元器件封裝種類多樣，焊點數量成千上萬，導致建模復雜度劇增、網格規模非常龐大，計算效率顯著降低，不能滿足工程應用。

能量累積理論通過計算焊點在熱循環過程中的應變能ΔW ，進而根據損傷容限公式計算焊點裂紋的形成和擴展壽命。對于不考慮元器件焊點內部應變分布，只關心焊點熱疲勞壽命的工程應用，可以通過經驗公式計算元器件焊點的剪切塑性應變幅Δγ（式（3））和應變能ΔW （式（4）），通過能量累積理論計算焊點熱疲勞壽命 Nf （式（5））[11]

式中， C 為封裝相關參數;LD 為器件對角線焊點距離; hS 為焊點高度;Δα為元器件和印制板熱膨脹系數差;ΔT 為溫度循環范圍;τ為焊點剪切應力;AS 為焊點剪切截面積;F 為焊點剪切力;K1、K2為焊料相關參數。

通過總結各種封裝元器件在機載環境的熱疲勞試驗數據，對式（3）～式（5）的參數 C、K1、K2進行擬合，得到疲勞壽命回歸方程。實際應用時，焊點的高度hS 和直徑 AS 需要通過剖切測量才能準確獲得，不方便直接獲取，而焊點體積 VS 可以通過工藝手段計算，因此建立了焊點體積與熱疲勞壽命的經驗公式

式中，K 為焊料相關常數，錫鉛焊料 K=0.00095，無鉛焊料 K=0.00030305; C 為封裝相關參數， BGA/C GA 封裝1.0lt; C lt;1.5， LCC/QFN 封裝0.7lt; C lt;1.2， SOP/ QFP 封裝 C=1;F 為焊點剪切力;Δα為元器件和印制板熱膨脹系數差;ΔT 為溫度循環范圍;LD 為器件對角線焊點距離;VS 為焊點體積。

1.2印制板組件焊點熱疲勞壽命計算

為了驗證印制板組件級元器件焊點壽命計算效率，以某機載電子設備印制板組件為例，計算其整板元器件焊點熱疲勞壽命。采用電子產品自動化設計分析軟件，建立印制板組件的仿真模型如下圖1所示，設備可靠性任務剖面溫度循環曲線作為輸入（圖2），近似模擬產品在使用中經歷的實際環境，分別采用有限元法和經驗公式法計算印制板組件的元器件焊點熱疲勞壽命。主流配置的工作站，有限元法無法計算此復雜模型，經驗公式計算時間小于2 min 。元器件壽命計算結果如下圖3所示，柱狀圖長短代表器件焊點熱疲勞壽命的長短。

此設備壽命要求為5000 h 或20 a ，表1列出了壽命不達標元器件的封裝形式。可看到某 CBGA -255封裝器件壽命最低，經分析，其為大尺寸陶瓷封裝（邊長27 mm×27 mm ），與印制板熱膨脹系數（ CTE）失配，采用低鉛63Sn37Pb 焊點，焊點高度較低（0.5 mm ），剪切塑性應變范圍較大，熱疲勞壽命最低為11 04 h 。此器件在實際使用5 a 左右首先發生焊點熱疲勞失效故障，與壽命目標相差4倍左右，仿真計算工作時間與目標值相差4.5倍，說明經驗公式可行。經驗公式方法相比傳統有限元法大大提高了印制板組件級大規模焊點熱疲勞壽命的計算效率，對計算資源要求不高，更加適合印制板組件級多元器件熱疲勞壽命的評估。

2 元器件焊點熱疲勞壽命加速試驗

為了高效的開展元器件焊點的熱循環疲勞壽命試驗，同時驗證仿真準確性，本節研究適合工程應用的元器件焊點熱疲勞壽命試驗方法，包括元器件焊點熱疲勞加速壽命試驗設計和焊點熱疲勞壽命試驗驗證兩部分。

2.1元器件焊點熱疲勞加速壽命試驗設計

關于元器件焊點可靠性試驗標準有：國際電子工業聯接協會標準 IPC -9701 A [12] 和歐空局標準 ECSS-Q-ST -70-38 C [13]。 IPC -9701A 標準溫度循環試驗要求給出一些推薦試驗參數，但沒有明確該怎么選擇這些試驗參數，讓廠家自己定義，可操作性不強。 ECSS-Q -ST -70-38 C 標準明確了加速溫循試驗條件參數：55℃～100℃，高低溫駐留時間為15 min ，每一循環持續時間61 min ，循環次數為500 cycle ，加速溫循曲線如圖4所示。

對于機載電子產品，若按 ECSS-Q-ST -70-38 C 標準進行焊點熱疲勞加速試驗，需分析加速試驗條件與壽命之間的加速因子，設計加速試驗時間長度。通過計算機載電子設備在可靠性任務剖面溫度循環條件和加速溫循試驗條件下的元器件焊點熱疲勞失效壽命，對其兩種壽命做比即為加速因子

式中，Af 為加速因子，Lm 為任務條件下的疲勞壽命，La 為加速條件下的疲勞壽命。

以前面計算的印制板組件為例，其任務溫度循環條件下，某 CBGA 器件低鉛焊接狀態的熱疲勞壽命最低，Lm=1104 h 。計算其加速溫循條件下的熱疲勞壽命為 La=79 h 。加速因子 Af=1104/79≈14。若要滿足 Lm=5000 h壽命，加速試驗時間 La =5000/14≈357 h ，加速試驗一個循環為61 min ，則總共需要進行約350個循環試驗。

2.2元器件焊點熱疲勞壽命的試驗驗證

針對前面出故障的 CBGA 器件，若采用高鉛10Sn90Pb 焊點，焊點高度較高（1 mm ），熱疲勞壽命可以有效提高。對比計算此 CBGA 器件低鉛和高鉛焊接狀態的熱疲勞壽命 Lm 和 La ，比較兩種狀態的加速因子。并且按 ECSS-Q-ST -70-38 C 標準開展了加速溫循疲勞試驗測試，驗證仿真的準確性。兩種狀態各取三個試驗件進行疲勞試驗，以首發故障時間作為焊點壽命數據 Le 。試驗前后對焊點進行研磨剖切金相分析，情況如表2所示。

從焊點金相分析可看出，試驗前低鉛和高鉛焊點無開裂，焊料均勻致密，空洞率符合要求，焊接質量正常。試驗后在元器件四角低鉛和高鉛焊點存在貫穿裂紋，裂紋附近組織粗化，屬于熱疲勞失效。從仿真數據可看出，高鉛焊接狀態能夠滿足5000 h的任務溫循條件。低鉛和高鉛焊接狀態的加速因子相近，在14左右。加速試驗仿真計算值與實驗值誤差小于20%，滿足工程應用，說明元器件焊點熱疲勞加速試驗可行，仿真計算可信。

3 結論

針對機載電子設備元器件焊點熱疲勞失效問題，研究了適合工程應用的元器件焊點熱疲勞壽命評估方法和加速試驗方法。結論如下：

1）結合工程數據擬合，建立了焊點體積與熱疲勞壽命的經驗公式，經驗公式方法相比傳統有限元法大大提高了印制板組件級大規模焊點熱疲勞壽命的計算效率，對計算資源要求不高，更加適合印制板組件級多元器件熱疲勞壽命的評估。

2）通過焊點熱疲勞壽命評估方法，得到元器件焊點熱疲勞加速試驗與壽命指標之間的加速因子，對 CBGA 元器件焊點低鉛、高鉛狀態進行加速試驗證明元器件焊點熱疲勞加速試驗可行、仿真計算可信。

通過此方法可以快速發現印制板組件元器件選型、布局、設計和焊接工藝的薄弱環節，進行快速迭代，給出改進意見，降低了工程研發成本和后期風險。

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