本文分析了電子設(shè)備熱循環(huán)失效機(jī)理，介紹焊點(diǎn)熱循環(huán)失效的Engelmaier-Wild壽命模型。應(yīng)用Engelmaier-Wild壽命模型, 本文提出了一種電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)方案。通過(guò)某電路板熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)案例及其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Engelmaier-Wild壽命模型應(yīng)用在電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)的適用性。

 

軍用飛機(jī)的環(huán)境故障率的研究表明，全部電子設(shè)備故障中約有55%是與熱事件（高溫和熱循環(huán)）相關(guān)。電子設(shè)備在使用過(guò)程中均會(huì)經(jīng)歷熱循環(huán)應(yīng)力，熱循環(huán)載荷來(lái)自于電子產(chǎn)品開(kāi)關(guān)通電造成的功率循環(huán)和其工作環(huán)境變化的溫度循環(huán)。一般軍用電子設(shè)備每天通電一次，10年內(nèi)累積大約3650個(gè)熱應(yīng)力循環(huán)；計(jì)算機(jī)在15年內(nèi)每天通電兩次，將累積大約11000個(gè)熱應(yīng)力循環(huán)；汽車在20年內(nèi)每天啟動(dòng)10次，將累積大約73000個(gè)熱應(yīng)力循環(huán)。電子設(shè)備在使用期內(nèi)經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)范圍大致在105之內(nèi)，這些熱循環(huán)引起的故障屬于典型的低周疲勞故障。

 

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證電子設(shè)備熱循環(huán)可靠性，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，通常需要采用加速試驗(yàn)的方法。本文分析了電子設(shè)備熱循環(huán)試驗(yàn)失效機(jī)理，介紹了適用于焊點(diǎn)的蠕變-疲勞壽命分析的Engelmaier-Wild模型，最后通過(guò)一個(gè)加速可靠性試驗(yàn)案例，進(jìn)行模型的應(yīng)用和驗(yàn)證。

 

電子設(shè)備熱循環(huán)失效機(jī)理

 

在熱循環(huán)環(huán)境下，電子設(shè)備中不同材料的熱膨脹系數(shù)的差別，導(dǎo)致元器件與PCB基本板連接處產(chǎn)生很高的應(yīng)力和應(yīng)變。典型元器件連接如圖1所示，PCB板膨脹位移XS，元器件膨脹位移XC，焊點(diǎn)高度h。PCB板的膨脹系數(shù)大于元器件，XS>XC，此時(shí)元器件引線和焊點(diǎn)將承受應(yīng)力。引線承受彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生塑性彎曲變形，若引線存在又尖又深的割痕，導(dǎo)致嚴(yán)重應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致引線斷裂失效。若引線工藝完好正常，在很小的位移情況下，引線彎曲疲勞具有上百萬(wàn)循環(huán)壽命，大多數(shù)電子設(shè)備在壽命期內(nèi)不會(huì)遇到這樣多大的熱應(yīng)力循環(huán)。焊點(diǎn)由于在高溫下強(qiáng)度較低，在熱循環(huán)中會(huì)產(chǎn)生較大的蠕變和應(yīng)力松弛，從而產(chǎn)生裂紋，直至斷裂。

 

對(duì)于無(wú)引線的元器件焊接，由于沒(méi)有引線的彎曲作用，焊點(diǎn)承受更大的應(yīng)變，如圖2所示。

 

 

圖1(左) 有引線焊接連接；圖2(右)無(wú)引線焊接連接

 

錫鉛（Sn-Pb）焊料由于其突出的可焊性和可靠性，目前是最主要的焊料材料，其融化溫度TM=183℃。溫度超過(guò)20℃時(shí)，錫鉛（Sn-Pb）焊料容易發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，溫度越過(guò)或應(yīng)力水平越高時(shí)，焊料的蠕變和應(yīng)力松弛越快。

 

熱循環(huán)導(dǎo)致焊點(diǎn)合金內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)，同時(shí)引發(fā)焊點(diǎn)金屬學(xué)組織的演化（晶粒組織變粗糙）。力學(xué)和金屬學(xué)因素的共同作用，導(dǎo)致宏觀表象為焊點(diǎn)裂紋的萌生與擴(kuò)展，引起電信號(hào)傳輸失真的失效現(xiàn)象。隨著疲勞損傷累積，焊點(diǎn)的疲勞壽命消耗大約25%到50%之后，在晶粒交界處形成微孔洞，這些微孔洞增長(zhǎng)形成微裂紋，進(jìn)一步增長(zhǎng)并聚集成大裂紋。

 

圖3表示焊點(diǎn)粘塑性的蠕變應(yīng)力松弛的疲勞過(guò)程。圖中一個(gè)循環(huán)滯回環(huán)區(qū)域表示消耗一個(gè)疲勞循環(huán)。粘塑性應(yīng)變能引起的疲勞損傷，是由一個(gè)個(gè)周期積累形成的。在較高溫度下，幾十分鐘，在較低的溫度下需要幾天，焊點(diǎn)應(yīng)力會(huì)完全松弛，造成最大的塑性應(yīng)變，超過(guò)這個(gè)時(shí)間將不會(huì)引起更多的疲勞損傷。

 

 

圖3 累積疲勞損傷

 

圖3中，無(wú)引線的焊點(diǎn)會(huì)進(jìn)入屈服階段，每個(gè)循環(huán)疲勞損傷較大。有引線的焊點(diǎn)，由于引線的應(yīng)力明顯低于焊點(diǎn)屈服強(qiáng)度，大大減少了每個(gè)循環(huán)的疲勞損傷。

 

加速試驗(yàn)時(shí)，為了節(jié)約時(shí)間，停留時(shí)間是不足以使得應(yīng)力完全松弛。其回環(huán)區(qū)域比相應(yīng)的能承受完全應(yīng)力松弛條件下的回環(huán)區(qū)域小很多。在同樣的溫度循環(huán)范圍下，加速試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)不直接等同于實(shí)際運(yùn)行的循環(huán)次數(shù)。

 

電子設(shè)備熱循環(huán)疲勞模型

 

金屬的通用疲勞損傷模型包括Morrow模型、Coffin-Manson模型、Smith-Watson-Topper（SWT）模型等。在Morrow模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)電子設(shè)備焊點(diǎn)蠕變-應(yīng)力松弛疲勞的特點(diǎn)，IPC（美國(guó)電子電路和電子互連行業(yè)協(xié)會(huì)）產(chǎn)品可靠性委員會(huì)提出了針對(duì)電子設(shè)備焊點(diǎn)的疲勞損傷模型——Engelmaier-Wild模型。

 

Engelmaier-Wild壽命模型為：

 

(1)

 

（2）

 

針對(duì)無(wú)引線焊接連接：

 

 (3)

 

有引線焊接連接：

 

(4)

 

疲勞延展性指數(shù)：

 

(5)

 

模型中參數(shù)如下：

 

A—焊點(diǎn)有效的最小承載面積；

 

F—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)引線焊接連接（1.5>F>0.7），軟引線的焊接連接（F=1）；

 

h—焊點(diǎn)高度；

 

KD—無(wú)約束，未焊接的元器件引線的對(duì)角線抗撓剛度；

 

2LD—從元器件焊點(diǎn)焊盤(pán)中心測(cè)量元器件焊點(diǎn)之間的最大距離；

 

N—產(chǎn)品壽命期間的運(yùn)行周期數(shù)；

 

x—在N次循環(huán)后，元器件的累積失效概率，%；

 

Nf（x%）—按x%的失效率能運(yùn)行的循環(huán)數(shù)；

 

TC，TS—高溫狀態(tài)下，元器件和基板溫度狀態(tài)的運(yùn)行溫度；

 

TC,0，TS,0—低溫狀態(tài)下，元器件和基板溫度狀態(tài)的運(yùn)行溫度；

 

TSJ=(1/4)( TC+TS+TC,0+TS,0)平均循環(huán)焊點(diǎn)溫度；

 

tD—半周期的停留時(shí)間，高溫和低溫下應(yīng)力松弛的平均時(shí)間；

 

αC，αS—元器件，基板的熱膨脹系數(shù)（CTE）；

 

β—威布爾分布形狀參數(shù)，無(wú)引線連接為4，軟的有引線連接為2；

 

ΔD—完全應(yīng)力松弛下潛在的循環(huán)疲勞損傷；

 

ΔTC=TC-TC,0—元器件循環(huán)溫變；

 

ΔTS=TS-TS,0—基板循環(huán)溫變；

 

Δα=αC-αS，元器件和基板的熱膨脹系數(shù)CTE不匹配；

 

ΔTe=（αSΔTS-αCΔTC）/Δα，循環(huán)溫變；

 

Εf’=0.325疲勞延性系數(shù)（共晶錫鉛63/37和60/40焊料），其他焊料取值將會(huì)不同。

 

根據(jù)Engelmaier-Wild壽命模型，定義電子設(shè)備熱循環(huán)試驗(yàn)加速因子：

 

（6）

 

式（6）括號(hào)中use代表使用環(huán)境，test表示試驗(yàn)環(huán)境。

 

本文分析了電子設(shè)備熱循環(huán)失效機(jī)理，介紹焊點(diǎn)熱循環(huán)失效的Engelmaier-Wild壽命模型。應(yīng)用Engelmaier-Wild壽命模型, 本文提出了一種電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)方案。通過(guò)某電路板熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)案例及其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Engelmaier-Wild壽命模型應(yīng)用在電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)的適用性。

 

電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)策劃

 

加速可靠性試驗(yàn)是使用相同的損傷機(jī)理，比產(chǎn)品使用所需更短的時(shí)間去激發(fā)失效或累積損傷。加速方法主要包括增加壽命控制變量的量級(jí)和增加頻次兩類。

 

關(guān)鍵要理解加速試驗(yàn)和被加速的實(shí)際使用環(huán)境之間的關(guān)系，基于適合的損傷、失效機(jī)理和服務(wù)環(huán)境來(lái)選擇試驗(yàn)類型和試驗(yàn)條件。

 

電子設(shè)備熱循環(huán)有三種類型：

 

1）功能循環(huán)：模擬實(shí)際工作狀態(tài)，包括元器件內(nèi)部功耗，外部溫度變化、熱傳導(dǎo)。

 

2）溫度循環(huán)：環(huán)境溫度交替變化，溫變率應(yīng)低于20℃/min，以避免熱沖擊，溫度保持時(shí)間推薦大于15min。

 

3）熱沖擊循環(huán)：溫變速率30℃/min以上，熱沖擊和溫度循環(huán)失效模式不同，不在本文討論范圍。

 

電子設(shè)備焊點(diǎn)疲勞失效檢查一般有定期焊點(diǎn)裂紋的目視檢查，定期破壞焊點(diǎn)來(lái)檢查初始強(qiáng)度的降低情況，和監(jiān)測(cè)一些初始電性能變化，如：電阻的增加。

 

考慮到失效檢查的方便性和試驗(yàn)時(shí)間限制，推薦使用電性能監(jiān)測(cè)的方法。試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)電連續(xù)性首次中斷（電阻大于1000Ω），并且在其后續(xù)增加的10%循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)9次被確認(rèn)的中斷，即可確認(rèn)為焊點(diǎn)疲勞失效。

 

試驗(yàn)方案策劃要考慮電子設(shè)備的自變量參數(shù)，包括設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝參數(shù)、產(chǎn)品參數(shù)、使用環(huán)境參數(shù)等，具體比如：溫度波動(dòng)、元器件尺寸、熱膨脹系數(shù)、焊點(diǎn)高度、引線硬度、失效概率等。

 

評(píng)估自變量參數(shù)的水平和范圍，在不改變失效機(jī)理的前提下，盡量提高變量參數(shù)范圍，縮短加速試驗(yàn)時(shí)間。根據(jù)自變量參數(shù)選值，預(yù)估加速可靠性試驗(yàn)預(yù)期循環(huán)次數(shù)和試驗(yàn)時(shí)間，使試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)控制在可接受范圍之內(nèi)。

 

關(guān)于試驗(yàn)樣本數(shù)量，由于焊點(diǎn)蠕變疲勞失效是概率分布，為了便于統(tǒng)計(jì)出合理的測(cè)試結(jié)果，需要至少32個(gè)試驗(yàn)樣本。

 

試驗(yàn)測(cè)試板的組裝和加工應(yīng)盡可能和實(shí)際產(chǎn)品相同。電子產(chǎn)品存儲(chǔ)一年后焊點(diǎn)的焊料晶粒組織會(huì)明顯粗糙化。試驗(yàn)測(cè)試板在加速試驗(yàn)前應(yīng)該進(jìn)行熱老化和環(huán)境應(yīng)力篩選，推薦在(100-125)℃下，熱老化(100-300)h。熱老化后的測(cè)試板在室溫下存儲(chǔ)一段時(shí)間，以便焊接結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。

 

試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)熱循環(huán)升降溫速率不應(yīng)超過(guò)20℃/min，有足夠的溫度保持時(shí)間，使焊點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力松弛。

 

試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)試驗(yàn)箱運(yùn)行溫度、試驗(yàn)基板不同部位和元器件進(jìn)行溫度測(cè)量。

 

對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的失效，進(jìn)行目視檢查，必要時(shí)進(jìn)行金相分析，評(píng)定失效模式。

 

某電路板加速可靠性試驗(yàn)案例

 

01 某電路板參數(shù)和使用條件

 

某電路板安裝8個(gè)無(wú)引線CC1820片式電容，設(shè)計(jì)壽命10年，每天通斷電一次（N=3650循環(huán)）。使用溫度日循環(huán)，平均日循環(huán)溫度ΔT=40℃。10年后可接受的累積失效率x=0.5%。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其10年后失效率能否滿足要求。

 

CC1820片式電容物理參數(shù)為：αC=6.8ppm/℃，h=0.127mm，LD=2.032mm。

 

電路板基板為低CTE多層板，αS=10.5ppm/℃。

 

02 試驗(yàn)電路板參數(shù)和試驗(yàn)條件

 

電路板基板的也熱膨脹系數(shù)較低，為了加速焊點(diǎn)的疲勞失效，更換熱膨脹系數(shù)較大的FR-4多層板，αS=16ppm/℃。每試驗(yàn)電路板安裝8個(gè)CC1820片式電容，其工藝與實(shí)際產(chǎn)品相同，共32個(gè)試驗(yàn)電路板參與加速試驗(yàn)。

 

試驗(yàn)條件選定為(0-100)℃的溫度循環(huán)，TD=15min，ΔTe=100℃，TSJ=50℃，每天24個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

 

03 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

 

試驗(yàn)共進(jìn)行6400循環(huán)，出現(xiàn)17個(gè)失效，失效數(shù)超過(guò)試驗(yàn)件數(shù)量一半，試驗(yàn)結(jié)束。

 

表1 熱循環(huán)試驗(yàn)失效數(shù)據(jù)

 

 

04 數(shù)據(jù)分析計(jì)算

 

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1，計(jì)算失效率，可以得到失效率與壽命的關(guān)系曲線。

 

將式（2）轉(zhuǎn)化為失效率和壽命的關(guān)系如下：

 

 

式（7）為典型的失效率與壽命的威布爾分布關(guān)系式。

 

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行失效率和壽命的威布爾分布關(guān)系曲線擬合，計(jì)算得到式（7）中β=4，N(50%)=6233，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.9987，擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

 

 

圖4 失效率與循環(huán)數(shù)N試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線

 

 

可以看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合β=4的威布爾分布，平均壽命N(50%)=6233。

 

試驗(yàn)為8個(gè)器件一組進(jìn)行，根據(jù)樣本分組修正公式：

 

 

式中：

 

β—威布爾分布形狀參數(shù)；

 

m—一組器件的數(shù)量。

 

根據(jù)式(8)，可以計(jì)算出試驗(yàn)條件下單個(gè)CC1820器件的平均壽命：N(50%,test)=10483。

 

根據(jù)式(5)，可以計(jì)算出疲勞延展系數(shù)：ΔT=40℃，c(use)=-0.4739；ΔT=100℃，c(test)=-0.41599。

 

根據(jù)式(1)可以計(jì)算得到加速試驗(yàn)下單個(gè)器件一個(gè)循環(huán)損傷：ΔD(test)=0.01593。

 

根據(jù)式(3)計(jì)算得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)F=0.7035。

 

將經(jīng)驗(yàn)系數(shù)F帶入式(3)，可以計(jì)算得到使用環(huán)境下：ΔD(use)=0.002563。

 

根據(jù)式(6)可以得到加速試驗(yàn)加速系數(shù)：=14.01。

 

根據(jù)式(1)，計(jì)算得到使用環(huán)境下單個(gè)器件平均壽命N(50%,use)=146833。

 

根據(jù)式(8)，計(jì)算得到電路板8個(gè)一組器件平均壽命N(50%,use)=87308。

 

根據(jù)式(2)，可以計(jì)算使用環(huán)境下，電路板失效率x=0.5%時(shí)，電路板的壽命為N（0.5%,use）=25460。

 

根據(jù)式(2)，同樣可以計(jì)算工作環(huán)境下使用10年時(shí)，電路板失效率x=2.117E-6。

 

可知電路板工作10年時(shí)，失效率<0.5%，滿足使用要求。

 

結(jié)  論

 

1）本文分析了電子設(shè)備熱循環(huán)失效機(jī)理，介紹焊點(diǎn)熱循環(huán)失效的Engelmaier-Wild壽命模型。

 

2）應(yīng)用Engelmaier-Wild壽命模型, 本文提出了一種電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)方案。

 

3）通過(guò)某電路板加速可靠性試驗(yàn)案例的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Engelmaier-Wild壽命模型應(yīng)用在電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)的適用性。

 

引用本文：

 

周天朋，劉向勃，祝濟(jì)之.電子設(shè)備熱循環(huán)加速可靠性試驗(yàn)研究與應(yīng)用[J].環(huán)境技術(shù)，2021，230(02):67-71.

專家簡(jiǎn)介：周天朋，天津航天瑞萊科技有限公司，男，博士，研究員，主要從事環(huán)境、可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究。