ESS研究SMT焊點的可靠性(下)
5 失效機理分析與試驗結果
5.1 溫度循環的誘發機理 當溫度在上、下溫度內循環時，組件交替膨脹和收縮，產生熱應力和應變，如果組件內部鄰接材料的熱膨脹系數不匹配，則這些應力和應變將會加劇，最終造成結構故障并產生電故障。尤其是器件要經受冷熱交替，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，以致于內部水汽壓力過大，引起塑封分層剝離開裂，塑封開裂產生的應力又造成了內線接頭開裂，引起器件電開路。
5.1.1 試驗結果 這批試驗板，在溫度循環試驗中，沒有出現這種現象。按分析程序，外觀檢查：采用再流焊和汽相工藝流程生產的組件，原焊點透亮處，現微微泛黃，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象。加電調試，所有電氣參數均合格。說明，焊接工藝是正確的，工藝參數的選擇也是合理的。焊點的可靠性合同等環境下的要求。
5.1.2 環境應力篩選試驗的分析 a)元器件的腳形狀對可靠性的影響： 影響表面混裝組件焊接點失效的關鍵問題是熱應力。通過此次試驗，焊點并沒有失效，因為此批組件板上的器件引線形狀均為翼型，說明引起失效的熱應力與元件的引線形狀有關。引線的形狀不同，焊接點的可靠性也不同，翼型引線因是雙彎曲結構，這種結構能使熱 應力得到釋放，因此減輕了熱應力的作用，而J型引線焊后強度大，可靠性也高。但無引線元件的引出端，其焊接接點的可靠性相對要較差。據報道，片式陶瓷電容器焊在FR-4電路板上，在35°C溫差下熱循環，只能勉強經受5年試驗，失效率達0.1%。目前這種元件經過了此次試驗，只能說明能經受此溫度循環。但焊點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)安裝工藝對可靠性的影響： 使用表面器件時，一定要注意，當打開器件的真空包裝后48小時內，要將器件焊到線路板上，以免器件吸入過量水分，在再流焊期間發生器件開裂現象。對已經吸入潮氣的器件在焊接安裝前，要經過干燥處理，將器中的水分吸出，以免器件接安裝時發生塑封開裂，影響器件的長期可靠性和器件的電性能。 5.2 振動的誘發機理 由于表面安裝元件與焊盤間只有焊點的作用，不再有孔的作用，焊點的應力直接關系到焊的可靠性，特別是較大、較重的器件，在機械振動時可能出現拉斷現象。焊接點應年承受較大的應力張力。
5、2、1 試驗結果 此項試驗主要考驗焊點的強度。因為SMT的可靠性主要取決于焊接點的可靠性，正確的焊點成型，是保證組裝可靠性的關鍵，它與焊接過程中使用的材料與焊接工藝有密切關系。 按分析程序，外觀檢查：結合SJ/10666-1995表面組裝組件的焊點質量評定標準，人工目測焊點質量，符合上述要求。加電調試，所有電氣參數均合格。說明，焊接工藝是正確的，焊接材料的選擇也是合理的。焊點的可靠性符合同等環境下的要求。其焊點的可靠性能經受環境應力篩選試驗。
5.2.2 環境應力提篩選試驗。
a)焊接材料對可靠性的影響： 表面安裝元件的焊點既是與電路板觸的電氣接點，也是機械接點，這會造成如下局限：焊點上焊料比通孔插裝焊點要小的多，且引線不穿過電路板，焊點處機械強度得不到增強，所以總的機械強度較小。通過此次試驗，焊點并沒有失效，說明引起失效的機械張力增強與焊接材料有關。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。使用含62%Sn、36%Pb、2%Ag的焊膏。具有中活性的特點。對形成良好的焊點有一定的作用。
b)定裝工藝對可靠性的影響： 在涂敷焊膏時，用量要適當。太少不能保證焊點的強度，太多則與相鄰焊點間易形成橋接。因此，在滿足機械強度和電氣性能的前提下，焊點要小，表面呈凹狀較好。這種焊點能釋放較大的張力。另外，焊接時，首要考慮選擇適當的焊接方法，建立焊接溫度曲線，使焊接溫度和焊接時間的相應性對SMT的影響最小，從而提高焊接點的可靠性。
5.3 熱沖擊的誘發機理 雖然該項試驗沒有溫度循環的溫度差大，但它的特點是瞬間加熱快。由SMD的構造可知：SMD基本大都為陶瓷材料，陶瓷材料的熱膨脹系數比有機制板要小一半左右，這一由于溫差而產生膨脹的差異，必須由焊點來吸收。焊點易產生熱應的裂紋。
5.3.1 試驗結果 5.3.2 環境應力篩選試驗的分析：
a)PCB上元器件的合理設計對可靠性的影響： 要消除SMT的局限性，首先必須使焊點正確成型。而正確成型的前提是在PCB器件等必須合理設計，其次在PCB板布局時要合理安排元器件的位置，能在較寬的工作范圍內使可靠性不會下降。同時注意焊盤的設計。設計可參考部及行業標準。
b)元器件對可靠性的影響： 對實際生產而言，可靠性主要考慮的是工藝流程否合理，各工藝參數設置否正確，其產品的焊點是否合格和可靠，而元器件的合理封裝與選用，不應屬于生產的范疇。因為一是當前的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外芯片，二是元器件的封裝和設計，已在生產廠家都已完成，出廠前均已受過一定程度的檢驗，有其合格數據表示，作為元器件制造廠，對自已生產的集成電路器件同樣要提出明確的交待，質量與可靠性試驗規范均應在產品的手冊或供貨協議中規定。我們應用單位也不可能對元器件進行再次研究，故而不考慮元器件的可靠性。
5.4 隨機振動的誘發機理 在很寬的頻率范圍內對產品施加振動。產品在不同的頻率上同時受到應力后，會有許多共振點同時受到激勵，使不同共振頻率的元器件同時在共振，從而使安裝不當的元器件受扭曲、碰撞等而使損壞的概率增加。
5.4.1試驗結果 按分析程序，外觀檢測所有的焊點均符合要求，但在加電調試時，1#和2#板出現問題。隨機振動是按三個方向進行的。在作X、Z方向的振動時，1#板上的元器件晶振產生故障，損壞不能工作，更換新的器件恢復正常。而2#板上的繼電器在作隨機振動時，則損壞不正常，但仔細研究焊點卻沒有裂紋。說明是元器件的問題。結構設計時要充分考慮。
5.4.2 環境應力試驗的分析： 隨機振動時，無引線元件與印制板之間應力要有焊點來吸收，時間長了焊點就容易失效。而有引線元件與印制板之間的應力則由引線和焊點一起來吸收，但是如果引線不夠柔順，焊點也容易失效。
a)印制板對可靠性的影響： 電子產品在流通、使用過程中不可避免的受到隨機振動的作用，印制板在外界激勵下產生揉曲，共振時更為嚴重。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，貼片機的貼裝頭要在元件的表面產生壓痕，壓力控制不當，則會出現裂紋，這種微紋是可靠性的隱患。這類故障出現時，往往會使信號時斷時續，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現，主要是加電工作調試時才能檢查到。其原因一部分是由元件器件自身的質量差造成的，絕大部分原因則是在裝配過程造成的從而影響了產品的可靠性與使用壽命。
6 結論： 通過對SMT混裝組件進行可靠性環境應力試驗，初步驗證焊點的可靠性，感覺到環境應力試驗可以提高產品的可靠性水平，但不能提高產品的固有可靠性。只有改進了設計、工藝后才能提高。它不是可靠性驗收試驗，但通過環境應力試驗的產品有利于驗收。篩選試驗的條件的選擇和變化速率等考慮是根據我們特殊產品需求提出的，同時也是對我們當前工藝的考核。說明了SMT混裝通用工藝形成的焊點可靠性基本上是好的，進一步證明了這種工藝是滿足我們特殊產品可靠性的需求的。由此可見，SMT混裝工藝及其生產值得在航天及領域中應用。
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