振動應(yīng)力對電子產(chǎn)品可靠性影響研究綜述

張明，高飛，黃英齡，明志茂

（廣電計量檢測集團股份有限公司，廣州 510000）

引言

電子設(shè)備在運輸和使用過程中不可避免的要經(jīng)受振動應(yīng)力的作用。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，電子產(chǎn)品的失效中振動引起的占比達到（50 ～60）%[1]。據(jù)美國空軍統(tǒng)計近20 年的電子設(shè)備硬件的現(xiàn)場故障發(fā)現(xiàn)，40 %的故障與連接器有關(guān)，30 %與互連有關(guān)，20 %與部件有關(guān)，其中20 %的故障是由振動和沖擊引起的[2]。電路板為電子產(chǎn)品的主要組成部分，元器件焊點問題引起的失效占比為70 %，而導(dǎo)致焊點失效的主要原因為熱應(yīng)力和振動應(yīng)力，其中振動應(yīng)力引起的焊點失效占比為25 %[3]。另據(jù)研究表明，在電氣系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的間歇故障，約有40 %源于焊點的電連接器[4]。綜上可知，振動應(yīng)力對電子產(chǎn)品的可靠性影響較大，開展振動對電子產(chǎn)品失效機理研究至關(guān)重要。國內(nèi)外學(xué)者在該方面開展了大量研究，但側(cè)重點各不相同，本文旨在通過相關(guān)文章研究成果進行歸納分類，為由振動引起的電子產(chǎn)品失效分析和學(xué)習(xí)提供技術(shù)支撐。

1 國外研究成果

1.1 振動應(yīng)力對焊點可靠性影響研究

馬里蘭大學(xué)電子產(chǎn)品與系統(tǒng)中心的Sanka Ganesan 對無鉛波峰焊組裝的通孔元件的無鉛焊點可靠性的可靠性進行了研究，對比了在溫度循環(huán)、振動應(yīng)力及溫度循環(huán)加振動應(yīng)力綜合作用下焊點的可靠性，發(fā)現(xiàn)溫度結(jié)合振動應(yīng)力對焊點的可靠性影響最為嚴(yán)重，會導(dǎo)致在高溫下形成的脆性金屬間化合物在振動應(yīng)力作用下加速失效[5]。Shaw Fong Wong 和Pramod Malatkar 等人提出了一種元件級E-N 曲線方法來表征振動應(yīng)力下BGA 封裝焊點的疲勞特性。鑒于焊點應(yīng)力變化難以在振動過程中檢測，通過PCB 板應(yīng)力來代替焊點應(yīng)力作為表征焊點疲勞性能的參數(shù)，這一參數(shù)等效的有效性通過有限元進行了驗證。其研究結(jié)果表明SnAgCu 焊料相較SnPb 焊料高周疲勞性能更優(yōu)，但是后者在低周疲勞性能上表現(xiàn)較好，如圖1 所示。且發(fā)現(xiàn)通過金屬間化合物附近的大塊焊料的疲勞斷裂是在受振動載荷的焊點中發(fā)現(xiàn)的常見故障[6]。F.Batieha 和S.Hamsha 等人通過研究發(fā)現(xiàn)，長周期振動下焊點的壽命預(yù)測存在一定挑戰(zhàn)，該研究發(fā)現(xiàn)振動中占主導(dǎo)地位的蠕變機制可能是擴散控制而非位錯爬升控制機制[7]。

圖1 SnAgCu 和SnPb 焊點疲勞曲線交匯點（如圖箭頭所指）

Tae-Yong Park and Jong -Chan Park 等人為了在星載電子產(chǎn)品的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計階段找到一種更適用的方法來預(yù)測焊點的機械可靠性，他們認(rèn)為Steinberg 的理論具有局限性，因為該理論以振動引起的最大動位移發(fā)生在PCB 中心為前提但實際上PCB 往往模態(tài)振型較復(fù)雜，且僅能解釋了半正弦波理想模態(tài)形狀的簡支邊界條件的矩形PCB，但實際情況是往往結(jié)構(gòu)不對稱且約束條件不規(guī)則。故他們在研究中提出了基于PCB 的允許位移和臨界應(yīng)變的裕度計算方法，并將計算結(jié)果和仿真以及實際實驗結(jié)果進行了比較，驗證了該方法有效性[8]。Ying Ding 和Ruyu Tian 等人對在振動和熱應(yīng)力綜合作用下的CCGA 焊點的疲勞行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)焊點裂紋的萌生主要是由于振動應(yīng)力導(dǎo)致的，而且裂紋往往出現(xiàn)在焊點的最外層，溫度應(yīng)力只是在裂紋萌生后，起到加速焊點裂紋擴展的作用。當(dāng)沒有裂紋的時候，焊點可以有效的釋放熱適配應(yīng)力[9]。F.X.Che 和John H.L Pang對PQFP 封裝的PCB 組件進行隨機振動試驗，評估PCB 與PQFP 引線接頭的動態(tài)響應(yīng)和可靠性能。建立了隨機振動載荷下PQFP 引線到接頭可靠性評估方法。其研究發(fā)現(xiàn)FQFP 在隨機振動載荷下容易失效。從失效分析來看，PQFP 引線接頭在隨機振動試驗中出現(xiàn)了焊料疲勞開裂失效。高速攝像機的測試結(jié)果表明，PCB 和RQFP 封裝是兩個具有不同動態(tài)響應(yīng)的獨立振動系統(tǒng)。在頻率范圍（20~2 000）Hz 的隨機振動條件下，對具有夾固邊界安裝的PCB 存在16 種振動模態(tài)的同時激勵[10]。MAJID SAMAVATIAN 和LUBOV K.ILYASHENKO 等人采用有限元法對電子器件球柵陣列在隨機振動下的疲勞壽命進行預(yù)測。結(jié)果表明，在BGA 封裝中，最大剝落應(yīng)力發(fā)生在靠近印刷電路板的焊點最外側(cè)角。還發(fā)現(xiàn)，PSD 的越大BGA 封裝中的焊點越容易出現(xiàn)故障，且在遠離BGA 封裝的角板處安裝散熱器的系統(tǒng)具有最長的疲勞壽命[11]。

1.2 振動應(yīng)力對連接器可靠性的影響研究

George T.Flower 和Fei Xie 研究連接器在不同的頻率和加速度水平下的微動腐蝕，在與母彈簧部件接觸一側(cè)銷子末端附近發(fā)現(xiàn)明顯的微動腐蝕產(chǎn)物，如圖2 所示。且在相同的振動頻率下，隨著加速度水平的提高，連接器的電阻值逐漸增加，微動腐蝕速度明顯加快，如圖3所示。此外還研究了相同應(yīng)力水平不同頻率下對連接器應(yīng)力水平的影響，發(fā)現(xiàn)頻率存在閥值，閥值水平在（40~80）Hz 之間，當(dāng)?shù)陀?0 Hz 時頻率急劇增加，高于80 Hz 時的頻率則下降，這意味著低于平臺的頻率很難引起微擾，高于平臺的頻率則更容易引起微擾[12]。

圖2 連接器引腳的掃描電鏡背向散射照片

圖3 電阻率的變化

真茂敬二和片山博之等人研究了單引腳接插件在振動條件下，不同線徑樣品的位移特征。發(fā)現(xiàn)在線徑較小、加速度較低的條件下，終端圍繞壓花部分中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。此外，當(dāng)線徑較小，加速度較大時，在存在旋轉(zhuǎn)運動元素的同時，還有直線運動，從而形成了復(fù)合運動形式，如圖4 所示[13]。

圖4 末端利薩曲線

Rochdi El Abdi 和Erwann Carvou 等，研究了汽車連接器在不同振動和溫度下的接觸電阻變化。在2.5 N 接觸力100 Hz 振動條件下時，當(dāng)振幅為2 μm 時，鍍錫連接器的接觸電阻隨著循環(huán)周期的增加迅速增加，但振幅低于2 μm 時，接觸電阻幾乎沒有變化。使用不同的鍍層材料的連接器，在10 Hz，接觸力為2.5 N 時，微動腐蝕出現(xiàn)的順序依次為Sn、Cu、Ni 及Ag。Sn 在振幅為2 μm 時即出現(xiàn)微動腐蝕，而Cu 和Ni 在7 μm 出現(xiàn)微動腐蝕[14]。

1.3 振動應(yīng)力對元器件引線可靠性影響研究

Ron S.Li 通過有限元和實際振動試驗相結(jié)合的方式預(yù)測了汽車電子在隨機振動激勵下焊點和處理器引線的疲勞損傷，發(fā)現(xiàn)微處理器最大彎曲應(yīng)力為58.4 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在構(gòu)件體附近的腳引線位置，破壞位置如圖5所示。在不同RMS 水平下，鉛和焊料的累計損傷結(jié)果如圖6 所示，從中可以看出焊點的損傷相對于微處理器的銅引線的損傷小幾個數(shù)量級[15]。

圖6 引線累積損傷和焊點累積損傷曲線對比

M.CELiK和C.GENC用鉛鋁電容進行振動疲勞分析，發(fā)現(xiàn)失效往往發(fā)生在元器件的引線和焊點位置。另得出隨著引線直徑的增加，振動損傷逐漸降低。還發(fā)現(xiàn)引線直徑和疲勞破壞之間的函數(shù)關(guān)系見如下公式[16]。

式中：

D—破壞指數(shù)；

dcap—引線的直徑；

α、β—由PCB 的邊界情況、尺寸、厚度和楊氏模量決定。

2 國內(nèi)研究成果

2.1 振動應(yīng)力對焊點可靠性影響研究

成鑫、醋強一等人，通過有限元構(gòu)件了三種不同出線方式的QFP 器件，分別為頂部出線、中間出線和底部出線。通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，三種出線方式下的一階固有頻率分別為：480.96 Hz、447.75 Hz和497.08 Hz，差別較小。然后對三種出線方式施加隨機振動發(fā)現(xiàn)三種引線的焊點最大疲勞應(yīng)力分別為12.5 MPa、40.5 MPa 和52.5 MPa，從頂部出線方式下焊點最大疲勞應(yīng)力低于焊料疲勞極限15 MPa，為最佳方案[17]。

嚴(yán)煥斌和吳兆華采用GJB 150.16 中噴氣式飛機振動環(huán)境條件進行仿真，結(jié)合模型法建立焊點的精細(xì)模型，通過Miner 累計損傷理論，分析了混裝組件焊點在隨機振動下的可靠性。發(fā)現(xiàn)無引腳器件焊點普遍應(yīng)力較小，有較好的抗振能力；BGA 類鼓狀混合焊點與翼形引腳混合焊點及J 形引腳混合焊點相比，有較好的抗振性，疲勞壽命較高。而翼形引腳混合焊點抗振性最差，疲勞壽命最短[18]。

上海交通大學(xué)的王文通過振動和金相相結(jié)合的方法，研究了SMT 板級無鉛焊點的裂紋擴展分析，首先通過掃頻找到PCB 板的1 階共振頻率，在該頻率分為內(nèi)施加不同振幅的振動激勵，通過監(jiān)測板子焊點形成菊花鏈的電壓來判斷失效時間。通過金相顯微鏡觀察失效焊點的裂紋擴展特征，發(fā)現(xiàn)BGA 封裝外圍拐角處焊點最先失效，且隨著PSD 幅值的不同焊點的失效模式各不相同，因此判定在隨機振動載荷下，裂紋擴展及失效模式不是單一而是復(fù)雜變化的[19]。

唐修卿、張劍等人通過有限元建立了BGA 芯片的PCBA 模型，模擬其在正弦振動激勵下，翹曲度和螺釘孔與焊點間距對焊點疲勞壽命的影響。發(fā)現(xiàn)隨翹曲度的增加，BGA 焊點的疲勞壽命呈單調(diào)下降的趨勢。而在特定翹曲度下，當(dāng)螺釘孔和焊點間距過于靠近時會使得焊點的疲勞壽命迅速下降[20]。

秦飛、別曉銳等人分別對封裝器件在正弦和隨機振動條件下的疲勞壽命進行了研究，對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到在正弦振動的不同激勵水平下的焊點的威布爾分布壽命。發(fā)現(xiàn)無論是正弦振動還是隨機振動，隨著振動量級的提高，焊點的壽命明顯縮短，如圖7和圖8 所示。正弦和隨機振動幾下，當(dāng)振動量值相同時，靠近中心的焊點疲勞壽命最短。此外還建立了PGBA焊點疲勞壽命的預(yù)測模型，分別對比了只考慮1 階振動和有限元條件下考慮多階振動的模型，將兩種模型計算的壽命值和試驗值進行了對比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用有限元計算的多階振動模型更適合預(yù)測隨機振動條件下焊點的疲勞壽命[21]。

圖7 正弦振動不同激勵水平下焊點壽命的威布爾分布

圖8 隨機振動不同激勵水平下焊點壽命的威布爾分布

2.2 振動應(yīng)力連接器可靠性影響研究

何林濤和任建峰等人對某機載電子電連接器在某一次振動試驗中出現(xiàn)的故障進行失效分析發(fā)現(xiàn)，通過仿真得到的一階模態(tài)為34 062 Hz，遠高于隨機振動的高頻2 000 Hz，且其1 σ 應(yīng)力為0.26 Mpa 低于材料的疲勞極限，因此推斷不可能是振動直接導(dǎo)致的連接器斷裂。進一步研究發(fā)現(xiàn)，振動引起的的頂針位移超過了配合間隙，產(chǎn)生的徑向摩擦力導(dǎo)致的斷裂。后經(jīng)過Miner 公式計算得到的壽命結(jié)果與振動試驗導(dǎo)致的斷裂時間一致，驗證了推斷結(jié)果[22]。

劉少杰和仇原鷹等用有限元建立了微針矩形航空連接器的有限元模型，選取插針絞絲最大外經(jīng)處的點A（如圖9 所示）的接觸壓力變化作為研究點，發(fā)現(xiàn)隨等效接觸壓力變化，A 點應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征，如圖10所示，分為松動區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。穩(wěn)定區(qū)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化幅度小于2.4 %，過渡區(qū)應(yīng)力響應(yīng)變化率在2.4 %以上，松動區(qū)應(yīng)力響應(yīng)變化又降至2.4 %以下。并且建立了應(yīng)力和電阻之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著插針退出距離的增加，接觸電阻逐漸增加，用該模型對比了用仿真和試驗插針距離和基礎(chǔ)電阻的曲線變化趨勢，兩者較為一致。另外對比了三軸振動和單軸振動條件下松動曲線，發(fā)現(xiàn)三軸相對于單軸變化趨勢相似，但是在加速度功率譜密度相同時，前者激勵響應(yīng)更大[23]。

圖9 A 點位置和1 σ 應(yīng)力云圖

圖10 A 點等效應(yīng)力隨接觸壓力變化

呂克洪和程先哲等人，研究了不同溫度、鹽霧和振動/沖擊環(huán)境應(yīng)力條件下對退化連接器間歇性故障得影響，以接觸電阻作為間歇性故障的表征參數(shù)。發(fā)現(xiàn)在相同振動量級下，電連接器發(fā)生間歇性失效時刻與振動峰值出現(xiàn)時刻具有明顯的時延續(xù)特征，如圖11 所示。隨振動量級的增加，間歇性失效頻次加快，故障現(xiàn)象更加明顯[24]。

圖11 接觸電阻和振動信號時延關(guān)系圖

2.3 振動應(yīng)力對元器件引線可靠性影響研究

何敏、鄧夢等人采用HyperMesh 和ANSYS 軟件建立了PLCC 和SO 封裝元器件印刷電路板組件的模型，并在仿真環(huán)境下施加振動激勵，研究了D/W、F 值、D/L（D/W）、A/W 不同參數(shù)下J 形、L 形狀引腳振動應(yīng)力分布。如圖12 所示，L 形引腳多數(shù)情況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在引腳與封裝體鏈接根部，J 形引腳最大應(yīng)力出現(xiàn)在引腳下端的弧面外，如圖13 所示。主要結(jié)論為：①隨著A /W 值增加，J 形引腳先增加后降低，但變化較小，不大于1.2 %；②隨著D/W 值減少，J 形引腳振動應(yīng)力先降低后增加，應(yīng)力增幅小于13.9 %。當(dāng)D/W 為1.8時可降低J 形引腳振動應(yīng)力損傷風(fēng)險。③隨著D /L 值減少，L 形引腳振動應(yīng)力先增加后降低，其幅值變化小于6.5 %，引腳最大應(yīng)力由封裝與引腳連接處轉(zhuǎn)移到引腳下部折彎處；④隨著F 的增加，J 形引腳的振動應(yīng)力先降低后增加，其變化幅值不大于13.6 %。隨著F 參數(shù)值增加，L 形引腳振動應(yīng)力單調(diào)增加，但變化幅度較低[25]。

圖12 J 形引腳與焊點 Von－Misses 等效應(yīng)力云圖

圖13 L 形引腳與焊點 Von－Misses 等效應(yīng)力云圖

3 總結(jié)與展望

振動對電子產(chǎn)品可靠性的影響研究工作和內(nèi)容較為豐富，為提高電子部件在振動環(huán)境中的可靠性工做提供了大量素材和技術(shù)支撐。但是這些研究內(nèi)容主要集中在焊點、引腳和連接器方面，理論研究較多，結(jié)合實踐的研究相對較少，缺乏對研究效果在實踐中得到驗證的數(shù)據(jù)支撐內(nèi)容。這些研究結(jié)論多數(shù)是結(jié)合仿真與試驗結(jié)果對比產(chǎn)生得出，檢測手段多是基于菊花鏈或其他電阻測量推斷失效發(fā)生的時間，故障檢測手段缺乏連續(xù)性，后期可在有效檢測技術(shù)手段方面開展更深入的研究。