军用电子模块无铅焊点可靠性分析

展亚鸽

摘 要：电子产品中焊点的可靠性直接关系到产品的使用寿命，但目前无铅焊点的可靠性还存在观望或争议，由于军用电子产品使用场合和使用环境的特殊性，对无铅材料及无铅制造的使用还在调研阶段。从无铅焊点可靠性实验验证和利用有限元分析对焊点力学性能、疲劳寿命方面来研究无铅焊点可靠性，对军用电子产品无铅化实施具有重要的理论价值和实际意义。

关键词：电子焊接;可靠性;无铅焊接

随着科学技术的飞速发展，表面组装技术（SMT：Surface Mount Technology）作为新一代的电子装联技术已经渗透到经济的各个领域。由于SMT技术具有使电子产品微型化、薄型化、轻量化、容易实现自动装配以及降低生产成本等一系列优越性，在技术发达国家已部分乃至完全替代了传统的电子元器件通孔安装技术（THT：Through Hole Technology），使电子装联技术发生了根本性的、革命性的变革。

目前，SMT正朝着高密度、高精度、更高可靠性、多样化和“绿色”组装方向迅速发展。在采用 SMT 技术进行互联的电子产品中，元器件与印制电路板（PCB：Printed Circuit Board）之间主要是通过焊点来实现互联的，焊点既起到机械支撑又起到电气互联的作用，焊点的可靠性直接关系到 SMT 产品的使用寿命。目前，在失效的微电子产品中，焊点失效是主要原因。

焊点的失效一方面来源于生产装配工序中的焊接故障。其中，最为常见的是钎料桥连、虚焊、焊接处形成焊珠、立碑等故障;其次当环境温度或通断电状态变化时，由于基板和元件材料的热膨胀系数的差别，导致钎料产生粘性行为，出现蠕变损伤。还有是在使用过程中，由于不可避免的冲击、振动等造成焊点的机械损伤。另外在振动、热循环及湿热等外界环境因素影响下，导致焊点内无法避免地发生交变的弹塑性应变及蠕变，由于反复的应变积累使得焊点出现疲劳失效。据统计，在电子设备的故障中，有 50%是由于印制电路板焊接的故障引起的，而对于热应力比较敏感的表面贴装形式的焊点质量问题更为严重，焊接造成的缺陷占总缺陷的 70%，正如疲劳专家 Steinberg 所说：“焊点的可靠性如此重要，以致本行的人认为电子设备的可靠性就是焊点的可靠性，在焊点尺寸变得越来越小的情况下，焊点成为最容易发生失效的连接环节，一定得进行优化设计提高可靠性寿命，所以，焊点的可靠性是封装技术及电子组装领域需要解决的重要课题。焊点可靠性问题一般指电子元器件和组件在服役条件下，由于热循环、振动和冲击等外界环境因素的影响，连接 PCB 与器件的焊点内产生周期性的应变应力，导致裂纹的形成与扩展，最终使得焊点失效。

目前，电子设备可靠性的研究方向是准确预测电子设备的无故障工作时间，虑振动和热循环工作环境，探讨实现无故障工作寿命预测的完整模型。焊点有限疲劳寿命时若不把振动冲击等因素考虑在内必将导致错误的结果，动态载荷会在焊点内引起动态应力，它和焊点低周疲劳相互作用，会影响焊点的失效机制，大大加速焊点失效进程。在某种情况下，振动冲击所引起的疲劳失效甚至会变成主要失效原因。由于 SMT 生产中普遍采用的锡铅钎料的含铅量达到 40%左右，随着公众环保意识的增强，人们已经认识到含铅钎料对环境和人体健康的威胁，特别是欧盟出台关于废弃电气电子仪器法案及特定有害物质的使用限制指令的全面实施，含铅钎料已逐渐被无铅钎料所代替;但是相比于应用多年成熟的有铅焊接工艺下的焊点可靠性，无铅焊点可靠性还存在观望或争议;另外军用电子产品由于使用场合和使用环境的特殊性，需要承受高强度机械应力、热应力、射线辐射应力、电应力等苛刻的环境条件，所有这些情况都决定了焊点可靠性必将成为军用电子产品十分重要的参数指标。鉴于以上原因，军用电子产品中无铅焊点可靠性的研究对指导和服务军用集成电路的研制和生产，延长军事装备的使用寿命和在严酷环境的使用效能，加强国防现代化建设都有着十分重要的意义。因此，研究新型无铅钎料焊点的可靠性尤为重要。

人们不断要求电子设备轻薄短小、高性能、高功能，使得超小型便携电子设备的需求急速增加，微组装技术应此而生。 微组装技术是在高密度多层互连基板上， 用微型焊接和封装 工艺把构成电子电路的各种微型元器件 （集成电路芯片及片 式元件）组装起来，形成高密度、高速度、高可靠、立体结构的 微电子产品（组件、部件、子系统、系统）的综合性高技术。 微组 装技术作为一种综合性高技术，它涉及到物理学、化学、机械 学、光学及材料等诸多学科，集中了半导体 IC 制造技术、无源 元件制造技术、电路基板制造技术、材料加工技术以及自动化 控制等技术。 随着高密度封装的广泛使用，促使电子装联技术 从设备到工艺都将向着适应精细化组装的要求发展。

现代社会的发展对电子控制的要求越来越高，电子技术的发展使电子产品的服役环境更趋恶劣。如功能的多样化及结构的小型化，使得电子器件的功率更大，温度更高，从而使焊点产生的应力应变也更大，特别是在航空、航天和军事等高可靠性应用领域，在热应力和动态应力综合作用情况下，焊点的裂纹扩展进程会加快，焊点将提前失效。因此焊点的可靠性已得到了普遍重视和广泛研究。预测焊点疲劳寿命需用到应力应变数据，在早期主要通过实验循环测试手段获得所需数据，可是随着电子产品越来越小，焊点尺寸也越来越小，要通过实验获得疲劳寿命计算所需应力应变数据非常困难，另外，在实验中只能测量出焊点表面或平均的应变值，而且必须制作适合的试件，实验设备还得满足很高的精度要求。

目前国内外研究人员在预测分析焊点可靠性寿命时，主要在粘弹性力学、断裂力学和弹性力学等理论基础上，采用有限元数值模拟的方法。上述中大量的文献资料表明有限元数值分析方法与可靠性实验得出的結果相差较小，可以用有限元数值分析方法来代替实验方法，故在试验条件难以为达到的情况下，用有限元仿真的方法可以代替可靠性试验方法来对焊点进行可靠性研究。通过可靠性强化实验分析验证焊点可靠性，用有限元仿真的方法进行失效模式验证，并在综合加载下条件下进行无铅焊点的寿命预测将成为焊点可靠性研究工作的发展趋势。

人们对电子产品追求微型化、薄型化、更高性能等要求永无止境，现有装联工艺技术终极发展对此有些无能为力，未来 电子元气件、封装、安装等产业将发生重大变革，将由芯片封装安装→再到整机的由前决定后的垂直生产链体系，转 变为前后彼此制约的平行生产链体系， 工艺技术路线也必将 作出重大调整，以适应生产链的变革;PCB、封装和器件将融 合成一体，传统的使用机械凿刻（通过化学反应）最终达到非 常小尺度的工具不再有优势。 电子装联工艺技术逐渐放弃以 往的工具、技术和模型，最终将沿着分子生物学的线索走向分 子水平。

参考文献：

[1]余国兴.现代电子装联工艺基础[M].西安电子科技大学出版社，2007，5.

[2]樊融融.现代电子装联工艺工程应用 1100 问[M].电子工业出版社， 2013，10.