ESS研究SMT焊點(diǎn)的可靠性(下)
5 失效機(jī)理分析與試驗(yàn)結(jié)果
5.1 溫度循環(huán)的誘發(fā)機(jī)理 當(dāng)溫度在上、下溫度內(nèi)循環(huán)時(shí)，組件交替膨脹和收縮，產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變，如果組件內(nèi)部鄰接材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，則這些應(yīng)力和應(yīng)變將會(huì)加劇，最終造成結(jié)構(gòu)故障并產(chǎn)生電故障。尤其是器件要經(jīng)受冷熱交替，如果器件在焊接之前吸入了大量潮氣，在高溫再流焊過程中，塑封中原先吸入的潮氣突然氣化，以致于內(nèi)部水汽壓力過大，引起塑封分層剝離開裂，塑封開裂產(chǎn)生的應(yīng)力又造成了內(nèi)線接頭開裂，引起器件電開路。
5.1.1 試驗(yàn)結(jié)果 這批試驗(yàn)板，在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。按分析程序，外觀檢查：采用再流焊和汽相工藝流程生產(chǎn)的組件，原焊點(diǎn)透亮處，現(xiàn)微微泛黃，其上附有松香焊劑，即焊膏里的焊劑釋放出來的。而波峰焊工藝則無此現(xiàn)象。加電調(diào)試，所有電氣參數(shù)均合格。說明，焊接工藝是正確的，工藝參數(shù)的選擇也是合理的。焊點(diǎn)的可靠性合同等環(huán)境下的要求。
5.1.2 環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)的分析 a)元器件的腳形狀對(duì)可靠性的影響： 影響表面混裝組件焊接點(diǎn)失效的關(guān)鍵問題是熱應(yīng)力。通過此次試驗(yàn)，焊點(diǎn)并沒有失效，因?yàn)榇伺M件板上的器件引線形狀均為翼型，說明引起失效的熱應(yīng)力與元件的引線形狀有關(guān)。引線的形狀不同，焊接點(diǎn)的可靠性也不同，翼型引線因是雙彎曲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能使熱 應(yīng)力得到釋放，因此減輕了熱應(yīng)力的作用，而J型引線焊后強(qiáng)度大，可靠性也高。但無引線元件的引出端，其焊接接點(diǎn)的可靠性相對(duì)要較差。據(jù)報(bào)道，片式陶瓷電容器焊在FR-4電路板上，在35°C溫差下熱循環(huán)，只能勉強(qiáng)經(jīng)受5年試驗(yàn)，失效率達(dá)0.1%。目前這種元件經(jīng)過了此次試驗(yàn)，只能說明能經(jīng)受此溫度循環(huán)。但焊點(diǎn)可靠性到底能維持多久不失效，失效周期及失效率為多少，有待以后研究。
b)安裝工藝對(duì)可靠性的影響： 使用表面器件時(shí)，一定要注意，當(dāng)打開器件的真空包裝后48小時(shí)內(nèi)，要將器件焊到線路板上，以免器件吸入過量水分，在再流焊期間發(fā)生器件開裂現(xiàn)象。對(duì)已經(jīng)吸入潮氣的器件在焊接安裝前，要經(jīng)過干燥處理，將器中的水分吸出，以免器件接安裝時(shí)發(fā)生塑封開裂，影響器件的長(zhǎng)期可靠性和器件的電性能。 5.2 振動(dòng)的誘發(fā)機(jī)理 由于表面安裝元件與焊盤間只有焊點(diǎn)的作用，不再有孔的作用，焊點(diǎn)的應(yīng)力直接關(guān)系到焊的可靠性，特別是較大、較重的器件，在機(jī)械振動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。焊接點(diǎn)應(yīng)年承受較大的應(yīng)力張力。
5、2、1 試驗(yàn)結(jié)果 此項(xiàng)試驗(yàn)主要考驗(yàn)焊點(diǎn)的強(qiáng)度。因?yàn)镾MT的可靠性主要取決于焊接點(diǎn)的可靠性，正確的焊點(diǎn)成型，是保證組裝可靠性的關(guān)鍵，它與焊接過程中使用的材料與焊接工藝有密切關(guān)系。 按分析程序，外觀檢查：結(jié)合SJ/10666-1995表面組裝組件的焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，人工目測(cè)焊點(diǎn)質(zhì)量，符合上述要求。加電調(diào)試，所有電氣參數(shù)均合格。說明，焊接工藝是正確的，焊接材料的選擇也是合理的。焊點(diǎn)的可靠性符合同等環(huán)境下的要求。其焊點(diǎn)的可靠性能經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)。
5.2.2 環(huán)境應(yīng)力提篩選試驗(yàn)。
a)焊接材料對(duì)可靠性的影響： 表面安裝元件的焊點(diǎn)既是與電路板觸的電氣接點(diǎn)，也是機(jī)械接點(diǎn)，這會(huì)造成如下局限：焊點(diǎn)上焊料比通孔插裝焊點(diǎn)要小的多，且引線不穿過電路板，焊點(diǎn)處機(jī)械強(qiáng)度得不到增強(qiáng)，所以總的機(jī)械強(qiáng)度較小。通過此次試驗(yàn)，焊點(diǎn)并沒有失效，說明引起失效的機(jī)械張力增強(qiáng)與焊接材料有關(guān)。主要為焊接過程中的焊膏，必須滿足一定的要求，要求焊膏的配方不易形成焊球，焊劑殘余物易于清除。最好使用含62%Sn、36%Pb、2%Ag的焊膏。具有中活性的特點(diǎn)。對(duì)形成良好的焊點(diǎn)有一定的作用。
b)定裝工藝對(duì)可靠性的影響： 在涂敷焊膏時(shí)，用量要適當(dāng)。太少不能保證焊點(diǎn)的強(qiáng)度，太多則與相鄰焊點(diǎn)間易形成橋接。因此，在滿足機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能的前提下，焊點(diǎn)要小，表面呈凹狀較好。這種焊點(diǎn)能釋放較大的張力。另外，焊接時(shí)，首要考慮選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒ǎ⒆罴押附訙囟惹�，使焊接溫度和焊接時(shí)間的相應(yīng)性對(duì)SMT的影響最小，從而提高焊接點(diǎn)的可靠性。
5.3 熱沖擊的誘發(fā)機(jī)理 雖然該項(xiàng)試驗(yàn)沒有溫度循環(huán)的溫度差大，但它的特點(diǎn)是瞬間加熱快。由SMD的構(gòu)造可知：SMD基本大都為陶瓷材料，陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)比有機(jī)制板要小一半左右，這一由于溫差而產(chǎn)生膨脹的差異，必須完全由焊點(diǎn)來吸收。焊點(diǎn)易產(chǎn)生熱應(yīng)的裂紋。
5.3.1 試驗(yàn)結(jié)果 5.3.2 環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)的分析：
a)PCB上元器件的合理設(shè)計(jì)對(duì)可靠性的影響： 要消除SMT的局限性，首先必須使焊點(diǎn)正確成型。而正確成型的前提是在PCB器件等必須合理設(shè)計(jì)，其次在PCB板布局時(shí)要合理安排元器件的位置，能在較寬的工作范圍內(nèi)使可靠性不會(huì)下降。同時(shí)注意焊盤的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)可參考部及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
b)元器件對(duì)可靠性的影響： 對(duì)實(shí)際生產(chǎn)而言，可靠性主要考慮的是工藝流程否合理，各工藝參數(shù)設(shè)置否正確，其產(chǎn)品的焊點(diǎn)是否合格和可靠，而元器件的合理封裝與選用，不應(yīng)屬于生產(chǎn)的范疇。因?yàn)橐皇钱?dāng)前的SMD器件種婁還不是很多，選擇的余地已受一些限制，集成電路基本采用國(guó)外芯片，二是元器件的封裝和設(shè)計(jì)，已在生產(chǎn)廠家都已完成，出廠前均已受過一定程度的檢驗(yàn)，有其合格數(shù)據(jù)表示，作為元器件制造廠，對(duì)自已生產(chǎn)的集成電路器件同樣要提出明確的交待，質(zhì)量與可靠性試驗(yàn)規(guī)范均應(yīng)在產(chǎn)品的手冊(cè)或供貨協(xié)議中規(guī)定。我們應(yīng)用單位也不可能對(duì)元器件進(jìn)行再次研究，故而不考慮元器件的可靠性。
5.4 隨機(jī)振動(dòng)的誘發(fā)機(jī)理 在很寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)產(chǎn)品施加振動(dòng)。產(chǎn)品在不同的頻率上同時(shí)受到應(yīng)力后，會(huì)有許多共振點(diǎn)同時(shí)受到激勵(lì)，使不同共振頻率的元器件同時(shí)在共振，從而使安裝不當(dāng)?shù)脑骷芘で⑴鲎驳榷箵p壞的概率增加。
5.4.1試驗(yàn)結(jié)果 按分析程序，外觀檢測(cè)所有的焊點(diǎn)均符合要求，但在加電調(diào)試時(shí)，1#和2#板出現(xiàn)問題。隨機(jī)振動(dòng)是按三個(gè)方向進(jìn)行的。在作X、Z方向的振動(dòng)時(shí)，1#板上的元器件晶振產(chǎn)生故障，損壞不能工作，更換新的器件恢復(fù)正常。而2#板上的繼電器在作隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，則損壞不正常，但仔細(xì)研究焊點(diǎn)卻沒有裂紋。說明是元器件的問題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮。
5.4.2 環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的分析： 隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，無引線元件與印制板之間應(yīng)力完全要有焊點(diǎn)來吸收，時(shí)間長(zhǎng)了焊點(diǎn)就容易失效。而有引線元件與印制板之間的應(yīng)力則由引線和焊點(diǎn)一起來吸收，但是如果引線不夠柔順，焊點(diǎn)也容易失效。
a)印制板對(duì)可靠性的影響： 電子產(chǎn)品在流通、使用過程中不可避免的受到隨機(jī)振動(dòng)的作用，印制板在外界激勵(lì)下產(chǎn)生揉曲，共振時(shí)更為嚴(yán)重。因此要求印制板有一定的硬度和彎曲度，一般為3～5°。 b)安裝工藝的影響： 片式陶瓷元件的貼裝過程中，貼片機(jī)的貼裝頭要在元件的表面產(chǎn)生壓痕，壓力控制不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)裂紋，這種微紋是可靠性的隱患。這類故障出現(xiàn)時(shí)，往往會(huì)使信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)，或阻值容量變化，或漏電流增大等等。在一般的檢查中難以發(fā)現(xiàn)，主要是加電工作調(diào)試時(shí)才能檢查到。其原因一部分是由元件器件自身的質(zhì)量差造成的，絕大部分原因則是在裝配過程造成的從而影響了產(chǎn)品的可靠性與使用壽命。
6 結(jié)論： 通過對(duì)SMT混裝組件進(jìn)行可靠性環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，初步驗(yàn)證焊點(diǎn)的可靠性，感覺到環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)可以提高產(chǎn)品的可靠性水平，但不能提高產(chǎn)品的固有可靠性。只有改進(jìn)了設(shè)計(jì)、工藝后才能提高。它不是可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)，但通過環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的產(chǎn)品有利于驗(yàn)收。篩選試驗(yàn)的條件的選擇和變化速率等考慮是根據(jù)我們特殊產(chǎn)品需求提出的，同時(shí)也是對(duì)我們當(dāng)前工藝的考核。說明了SMT混裝通用工藝形成的焊點(diǎn)可靠性基本上是好的，進(jìn)一步證明了這種工藝是滿足我們特殊產(chǎn)品可靠性的需求的。由此可見，SMT混裝工藝及其生產(chǎn)值得在航天及軍用領(lǐng)域中應(yīng)用。
