第6章現(xiàn)代電子裝聯(lián)的可靠性6.1概述6.2可靠性的基本概念及主要數(shù)量特征6.3可靠性設(shè)計的基本內(nèi)容和方法6.4焊點的可靠性及試驗內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)6.5焊點及連接可靠性試驗的主要方法6.6電子裝聯(lián)可靠性管理概述

可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，從其問題的提出到目前得到廣泛應(yīng)用，已有60多年的歷史。一個好的產(chǎn)品不僅要具備所需要的性能，而且還要能長期保持其性能，在使用中無故障、少故障，出現(xiàn)故障易修理，功能恢復(fù)迅速，使用安全，易于保障。只有那些可靠性好的產(chǎn)品，才能在長期使用中發(fā)揮好的使用性能，從而贏得用戶。6.1概述本章首先對可靠性的基本概念及主要數(shù)量特征進(jìn)行介紹，并討論可靠性設(shè)計的主要內(nèi)容，重點討論在電子裝聯(lián)中焊點的可靠性試驗方法，最后對電子裝聯(lián)可靠性管理進(jìn)行簡要討論。

6.2.1可靠性的有關(guān)概念

可靠性的有關(guān)概念包括：

(1)可靠性：指產(chǎn)品在給定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。它是相對于一定載荷條件(LoadingConditions)的概率，所以可靠性一定是指在某種載荷條件下的可靠性。

6.2可靠性的基本概念及主要數(shù)量特征不同的電子產(chǎn)品其載荷條件會有所不同，比如汽車電子系統(tǒng)，它受到的是一種環(huán)境冷熱周期性的載荷和震動載荷。熱循環(huán)試驗就通過模仿這種熱機械載荷，來分析焊點的失效原因。

載荷條件是指任何加在系統(tǒng)上的、使系統(tǒng)的性能惡化或影響可靠性的條件。載荷是一個廣義的概念，包括熱沖擊、熱循環(huán)、溫度、濕度、電壓、電流、機械振動等。

(2)失效：喪失功能或降低到不能滿足規(guī)定要求的現(xiàn)象。

(3)失效模式：失效現(xiàn)象的表現(xiàn)形式，與產(chǎn)生的原因無關(guān)，如開路、短路、參數(shù)漂移、不穩(wěn)定等。

(4)失效機理：失效模式的物理、化學(xué)變化過程，并對導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)變化提供了解釋，如蠕變—應(yīng)力釋放斷裂、拉伸斷裂、裂紋擴(kuò)展斷裂、電遷移短路，工程上有時也會把原因說成是失效機理。

(5)加速試驗：是一種快速試驗方法。它是通過采用比設(shè)備(這里指焊點)在正常使用中所經(jīng)受的環(huán)境更為嚴(yán)酷的試驗環(huán)境來實現(xiàn)這一點的。由于使用了更高的應(yīng)力，在進(jìn)行加速試驗時必須注意不能引入在正常使用中不會發(fā)生的失效模式。加速試驗主要分為兩類，每一類都有明確的目的：

①加速壽命試驗——估計壽命；

②加速應(yīng)力試驗——確定(或證實)和糾正薄弱環(huán)節(jié)。

常用的加速試驗有：

①周期固定的周期性應(yīng)力試驗(如熱循環(huán)試驗、熱沖擊試驗)。

②步進(jìn)應(yīng)力譜試驗。

③漸進(jìn)應(yīng)力譜試驗。

④高加速壽命試驗(HighlyAcceleratedLifeTesting，HALT)(設(shè)備級)。

⑤高加速應(yīng)力篩選(HighlyAcceleratedStressScreen，HASS)(設(shè)備級)。

⑥高加速溫度和濕度應(yīng)力試驗(HighlyAcceleratedStressTester，HAST)(零件級)。

注意，在高可靠電子產(chǎn)品生產(chǎn)中用到的環(huán)境應(yīng)力篩選(EnvironmentStressScreen，ESS)試驗，不是加速試驗，它是一種消除缺陷焊點的篩選方法。6.2.2可靠性衡量指標(biāo)

1．可靠度與不可靠度

可靠度(reliability)是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。一般將可靠度記為R，它是時間t的函數(shù)，故也記為R(t)，R(t)稱為可靠度函數(shù)。就概率分布而言，它又叫可靠度分布函數(shù)，且是累積分布函數(shù)。它表示在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，無故障地發(fā)揮規(guī)定功能而工作的產(chǎn)品占全部工作產(chǎn)品(累積起來)的百分率。因此可靠度R或R(t)的取值范圍為

0≤R(t)≤1 (6-1)

若“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能”的這一事件(E)的概率以P(E)表示，則可靠度作為描述產(chǎn)品正常工作時間(壽命)這一隨機變量(T)的概率分布可寫成：

R(t)

=

P(E)

=

P(T≥t) 0≤t≤

(6-2)

對于不可修復(fù)的產(chǎn)品，可靠度的觀測值是指直到規(guī)定的時間，能完成規(guī)定功能的產(chǎn)品數(shù)與在該區(qū)間開始時刻投入工作的產(chǎn)品數(shù)之比，即

(6-3)

式中：N——開始投入工作產(chǎn)品數(shù)；

——到t時刻完成規(guī)定功能產(chǎn)品數(shù)，即殘存數(shù)；

——到t時刻未完成規(guī)定功能產(chǎn)品數(shù)，即失效數(shù)。

與可靠度相對應(yīng)的有不可靠度，表示產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)不能完成規(guī)定功能的概率，因此又稱為累積失效概率，記為F。累積失效概率F也是時間t的函數(shù)，故又稱為累積失效概率函數(shù)或不可靠度函數(shù)，記為F(t)。

因為完成規(guī)定功能與未完成規(guī)定功能是對立事件，按概率互補定理可得：

R(t)

+

F(t)

=

1 (6-4)

F(t)=1-R(t)

=

P(T

＜t) (6-5) 對于不可修復(fù)產(chǎn)品，累積失效概率F(t)為

(6-6)

2.失效概率密度函數(shù)

失效概率密度函數(shù)f(t)是累積失效概率F(t)的導(dǎo)數(shù)，可用下式表示：

(6-7)

設(shè)N為受試產(chǎn)品總數(shù)，

N是時刻t到t+

t

時間間隔內(nèi)產(chǎn)生的失效產(chǎn)品數(shù)，則當(dāng)N足夠大，

t足夠小時，f(t)可用下式表示：

或 (6-8)它表示t時刻的單位時間的失效(故障)概率。

由式(6-7)得出：

(6-9)

而產(chǎn)品的可靠度則為

(6-10)

3.失效率

失效率(failurerate)又稱為故障率，其定義為：工作到某時刻t時尚未失效(故障)的產(chǎn)品，在該時刻t以后的下一個單位時間內(nèi)發(fā)生失效(故障)的概率。失效率的觀測值即為“在某時刻t以后的下一個單位時間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)與工作到該時刻尚未失效的產(chǎn)品數(shù)之比”。設(shè)有N個產(chǎn)品，從開始工作到時刻t時產(chǎn)品的失效數(shù)為n(t)，而到時刻(t

+

t)時產(chǎn)品的失效數(shù)為n(t

+

t)，即在[t,t

+

t]時間區(qū)間內(nèi)有

n(t)

=

n(t

+

t)-n(t)個產(chǎn)品失效，當(dāng)N足夠大，

t足夠小時，產(chǎn)品在時間區(qū)間[t,t+

t]內(nèi)的失效率為

(6-11)

因失效率

(t)是時間t的函數(shù)，故又稱

(t)為失效率函數(shù)。

4．平均壽命

在產(chǎn)品的壽命指標(biāo)中，最常用的是平均壽命。平均壽命(meanlife)是產(chǎn)品壽命的平均值，而產(chǎn)品的壽命則是它的無故障工作時間。

平均壽命這個詞對于不可修復(fù)(失效后無法修復(fù)或不修復(fù)，僅進(jìn)行更換)的產(chǎn)品和可修復(fù)(發(fā)生故障后經(jīng)修理或更換零件即恢復(fù)功能)的產(chǎn)品，含義有別。

對于不可修復(fù)的產(chǎn)品，其壽命是指它失效前的工作時間。因此，平均壽命就是指該產(chǎn)品從開始使用到失效前的工作時間(或工作次數(shù))的平均值，或稱為失效前平均時間，記為MTTF(MeanTimeToFailure)。

(6-12)

式中：N——測試的產(chǎn)品總數(shù)；

ti——第i個產(chǎn)品失效前的工作時間，單位為h。

對于可修復(fù)的產(chǎn)品，其壽命是指相鄰兩次故障間的工作時間。因此，它的平均壽命即為平均無故障工作時間或稱為平均故障間隔，記為MTBF(MeanTimeBetweenFailures)。

(6-13)

式中：N——測試的產(chǎn)品總數(shù)；

ni——第i個測試產(chǎn)品的故障數(shù)；

tij——第i個產(chǎn)品從第j-1次故障到第j次故障的工作時間，單位為h。

6.3.1可靠性設(shè)計的基本內(nèi)容

可靠性設(shè)計是整個產(chǎn)品設(shè)計工作中的一個重要組成部分，它與產(chǎn)品功能設(shè)計相輔相成。通過功能設(shè)計可初步確定產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)，運用可靠性設(shè)計可對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行分析、評價和改進(jìn)，使產(chǎn)品功能設(shè)計更趨于完善。6.3可靠性設(shè)計的基本內(nèi)容和方法可靠性設(shè)計的主要任務(wù)就是通過可靠性預(yù)測、分析、實驗和改進(jìn)等可靠性活動，把可靠性要求設(shè)計到產(chǎn)品文件與圖樣中去，形成產(chǎn)品的內(nèi)在可靠性。產(chǎn)品故障因設(shè)計方面問題引起的占40％以上，是影響產(chǎn)品內(nèi)在可靠性的主要因素。我國也曾對影響某電子設(shè)備故障的原因進(jìn)行過分析、統(tǒng)計，獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖6.1所示。

可靠性設(shè)計的工作流程如圖6.2所示。

圖6.1某電子設(shè)備故障及其原因構(gòu)成圖6.2可靠性設(shè)計的一般工作流程6.3.2可靠性設(shè)計的基本方法

由于產(chǎn)品種類及其系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同，可靠性設(shè)計方法也有所不同，一般常用的可靠性設(shè)計方法有可靠性預(yù)測、可靠性試驗、可靠性分析、可靠性分配與可靠性設(shè)計評審或鑒定。

1．可靠性預(yù)測

可靠性預(yù)測是對產(chǎn)品系統(tǒng)可能達(dá)到的可靠性水平，利用其結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境及其相互關(guān)系的信息進(jìn)行定量分析估計的一種辦法。可靠性預(yù)測一般按下述10個步驟進(jìn)行：

(1)確定質(zhì)量目標(biāo)。對產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計、研制目的、用途、功能、性能參數(shù)等進(jìn)行明確的規(guī)定。當(dāng)然，這些規(guī)定將隨著設(shè)計、研制工作的進(jìn)展而不斷精確與完善。

(2)擬定使用模型。對產(chǎn)品系統(tǒng)從交付使用到最后報廢的整個過程，其經(jīng)歷的環(huán)境及有關(guān)事件，如運輸、儲存、實驗檢查、運行操作和維修等擬定工作模型。

(3)建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。以圖解形式，形象地表明產(chǎn)品系統(tǒng)中各單元組成情況，如用可靠性方框圖、事故(或故障)樹、狀態(tài)圖或它們的結(jié)合來表述產(chǎn)品可靠性結(jié)構(gòu)模型。

(4)推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模型和單元的可靠性特征量，經(jīng)過一系列假設(shè)、簡化、近似運算，推導(dǎo)出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。這個數(shù)學(xué)模型可以是一組數(shù)字表達(dá)式，也可以是一組狀態(tài)矩陣。

(5)確定單元功能。單元是組成系統(tǒng)的一個功能級別，可以是組件、部件或元器件，它們具有一定的可靠性量值，在可靠性框圖中是一個獨立方塊，必須一一確定。

(6)確定環(huán)境系數(shù)。通過產(chǎn)品系統(tǒng)在使用中所經(jīng)歷的工作環(huán)境條件應(yīng)力分析，確定環(huán)境參數(shù)。

(7)確定系統(tǒng)應(yīng)力。根據(jù)產(chǎn)品工作方式和工作應(yīng)力分析，確定降額系數(shù)、應(yīng)用系數(shù)、工作與無工作時間之比。

(8)假定失效分布。根據(jù)系統(tǒng)中各個單元的壽命特征，使用相應(yīng)的失效分布。未知失效分布時，可先假定，在取得數(shù)據(jù)后核實、修正。

(9)計算失效率。根據(jù)選定的質(zhì)量等級、環(huán)境應(yīng)力、工作應(yīng)力和失效分布，計算單元的工作失效率和貯存失效率。

(10)計算產(chǎn)品可靠性。把各單元的失效率數(shù)據(jù)作為輸入，利用產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型，計算出產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性數(shù)值。

2．可靠性試驗

可靠性試驗是對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析和評價時所使用的一種手段。它可以是實驗室內(nèi)試驗，也可以是使用現(xiàn)場試驗。

進(jìn)行可靠性試驗的主要目的是為了詳細(xì)地分析產(chǎn)品在試驗中發(fā)生的每一個失效的原因和后果，并研究可能采取的有效改進(jìn)措施。

可靠性試驗分類的方法很多，根據(jù)試驗?zāi)康?、方式或用途不同，可以有不同的分類方法。如?/p>

根據(jù)產(chǎn)品在試驗中所處的狀態(tài)，可以分為工作壽命試驗和貯存壽命試驗。根據(jù)產(chǎn)品在試驗中承受應(yīng)力的強度，可以分為正常壽命試驗和加速壽命試驗。

按照壽命試驗的目的不同，可分為可靠性驗證試驗和可靠性測定試驗。前者是為了確定產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)或合同中規(guī)定的要求；后者則是用來評估產(chǎn)品的可靠性特征量，只需按規(guī)定的試驗方法進(jìn)行試驗，并把試驗結(jié)果寫成試驗報告。

按照統(tǒng)計方法對可靠性數(shù)據(jù)要求的不同，可以分為余數(shù)壽命試驗和截尾壽命試驗。前者需相當(dāng)長的試驗時間；后者可根據(jù)截尾的方式分為定數(shù)截尾、定時截尾和逐次截尾壽命試驗等。

3．可靠性分析

最常用的可靠性分析方法是失效模式和效應(yīng)分析(FailureModeEffectAnalysis，F(xiàn)MEA)及故障樹分析(FailureTreeAnalysis，F(xiàn)TA)。

失效模式和效應(yīng)分析是在產(chǎn)品設(shè)計中，分析各種可能的失效對其可靠性的影響。國際電工委員會(IEC)在1985年制定了國際標(biāo)準(zhǔn)IEC812，統(tǒng)一實行失效分析程序。我國已于1987年等同采用IEC812為GB/T7826—1987《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和效應(yīng)分析(FMEA)程序》，該標(biāo)準(zhǔn)不僅闡述了FMEA，而且也闡述了FMEA的擴(kuò)展，即失效模式、效應(yīng)及危害度分析(FailureMode，EffectandCriticalityAnalysis，F(xiàn)MECA)。所有用于FMEA的一般性分析均可使用于FMECA。

FMECA應(yīng)用的基本步驟如下：

(1)定義系統(tǒng)及其功能和最低的工作要求。

(2)擬定功能和可靠性框圖以及其他圖表或數(shù)學(xué)模型，并作文字說明。

(3)確定分析的基礎(chǔ)原則和用于完成分析的相應(yīng)文件。

(4)找出失效模式、原因和效應(yīng)，以及它們之間相對的重要性和順序。

(5)找出失效的檢測、隔離措施和方法。

(6)找出設(shè)計和工作中的預(yù)防措施，以及如何防止特別不希望事件的發(fā)生。

(7)確定事件的危害度(僅適用于FMECA)。

(8)估計失效概率(僅適用于FMECA)。

(9)對考慮的多重失效的特定組合進(jìn)行檢查(選做)。

(10)建議。

故障樹分析法(FTA)與FMECA或者FMEA的順序相反，是從產(chǎn)品系統(tǒng)到部件，再到元器件，分析其失效原因與結(jié)果的邏輯關(guān)系。我國也已制定GB/T7829—1987《故障樹分析程序》。

4．可靠性分配

可靠性分配是把產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，自上而下逐級分解，分配給組成該產(chǎn)品系統(tǒng)的各子系統(tǒng)、零部件或元器件，以確定各組成單元的可靠性定量目標(biāo)。

可靠性分配是一個由粗到細(xì)的過程。產(chǎn)品研究初期，未知因素較多，一般只能依據(jù)其組成單元可能達(dá)到的可靠性水平、研制時間等條件粗略地評估一個目標(biāo)。隨著產(chǎn)品研制工作的逐步深入，對產(chǎn)品系統(tǒng)及其單元的了解也不斷深化，就可以及時地根據(jù)各種資料、數(shù)據(jù)對原分配的可靠性指標(biāo)進(jìn)行修正、調(diào)整。

5．可靠性設(shè)計評審

可靠性設(shè)計評審是設(shè)計評審的重要組成部分，它是對可靠性設(shè)計結(jié)果進(jìn)行的正式、系統(tǒng)、嚴(yán)格的評審活動，評審結(jié)果應(yīng)形成文件。

GB/T7828—1987《可靠性設(shè)計評審》及GB/T19004—2000對“設(shè)計和開發(fā)評審”都明確規(guī)定了可靠性設(shè)計評審的目標(biāo)、要求、程序和方法。

1)可靠性設(shè)計評審的目標(biāo)

(1)評審其是否滿足可靠性設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和研制任務(wù)書的規(guī)定。

(2)發(fā)現(xiàn)和確定可靠性設(shè)計上的疑問之處，研究并提出可靠性改進(jìn)建議和預(yù)防措施。

(3)檢查和監(jiān)督可靠性管理規(guī)劃的實施。

(4)減少設(shè)計更改，縮短研制周期，降低壽命周期費用等。

2)可靠性設(shè)計評審的內(nèi)容與要求

可靠性設(shè)計評審從研究設(shè)計要求的明確和完整性出發(fā)，對系統(tǒng)的功能、任務(wù)、環(huán)境條件進(jìn)行全面分析，對技術(shù)途徑、設(shè)計試驗方法、使用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)而詳細(xì)的審查，對一切影響可靠性的因素進(jìn)行認(rèn)真研究，并對最終形成的所有軟件和硬件的圖樣、文件等進(jìn)行正式的評審?？煽啃栽O(shè)計評審一般按設(shè)計過程分階段評審，以對設(shè)計質(zhì)量進(jìn)行及時監(jiān)控。具體要求是：

(1)方案設(shè)計評審。在方案設(shè)計完成后，重點評審設(shè)計方案，技術(shù)途徑的正確性，系統(tǒng)參數(shù)，可靠性和維修性要求，初步分配的合理性與實現(xiàn)的可能性，采用新技術(shù)、新元件和新材料的分析，試驗計劃、周期和費用分析。

(2)初步設(shè)計評審。在初步設(shè)計完成及樣機試制前，應(yīng)重點評審系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果、系統(tǒng)參數(shù)分配等實際情況、按日設(shè)計的進(jìn)度、功能試驗計劃與要求、可靠性模型建立情況和預(yù)測、分配結(jié)果、失效模式和效應(yīng)分析、關(guān)鍵項目清單及控制規(guī)劃。

(3)詳細(xì)設(shè)計評審。在完成樣機試制、試生產(chǎn)之前，應(yīng)重點評審功能、性能、可靠性設(shè)計結(jié)果和初步試驗結(jié)果、失效模式和效應(yīng)分析、應(yīng)力—強度分析、容差分析、關(guān)鍵項目控制要求、元件控制規(guī)劃及其他影響可靠性和維修性的項目。

(4)定性設(shè)計評審。在轉(zhuǎn)入批生產(chǎn)時，應(yīng)重點評審系統(tǒng)功能、性能、可靠性鑒定試驗結(jié)果，設(shè)計的成熟性、可生產(chǎn)性、可操作性，生產(chǎn)試驗中問題和故障分析處理的正確性和徹底性，批生產(chǎn)質(zhì)量控制要求，關(guān)鍵件和外協(xié)、外購件質(zhì)量控制要求。

6.4.1焊點的可靠性

板級電子裝聯(lián)的可靠性主要取決于焊點的可靠性。焊點的可靠性取決于焊點上所受應(yīng)力的程度。有兩個因素影響焊點的可靠性：第一，焊點本身的特征；第二，加載到焊點上的載荷條件。

焊點本身的特征與焊料合金成分/微觀結(jié)構(gòu)、焊料與元件端頭及焊盤的連接、焊點的形狀與大小等有關(guān)。6.4焊點的可靠性及試驗內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)焊點上的載荷條件通常有熱機械載荷、機械沖擊載荷。不同載荷條件對焊點的可靠性影響不同。由溫度變化引起的應(yīng)力屬于熱機械載荷，由振動引起的應(yīng)力屬于機械沖擊載荷。溫度高低、溫差大小以及在高溫和低溫停留的時間決定了熱機械載荷的應(yīng)力大小。不同的高低溫循環(huán)條件得出的試驗結(jié)果是不同的。

對于檢測合格的焊點(連接)，其主要的失效模式是焊點開路(斷裂)，而熱機械應(yīng)力引起的焊點開路最為常見，占總失效數(shù)量的55％

以上。圖6.3為3216R在-40～+125℃條件下熱循環(huán)1000次的情況。圖6.33216RSAC305焊點熱循環(huán)1000次時的切片圖

由于焊點的開路失效以BGA、CSP器件焊點最為常見，因此，下面以BGA、CSP為例，對焊點的開路失效類型作一介紹。按照其發(fā)生的物理現(xiàn)象，焊點的開路失效可簡單歸納為下述三類：

(1)界面失效：焊點的電氣接觸不良或微裂紋發(fā)生在焊盤和焊料相接觸的界面上，如圖6.4所示。界面失效的根本原因是焊料和基體金屬之間未發(fā)生冶金反應(yīng)，未能形成合適厚度的金屬間化合物(IMC)層。

圖6.4界面失效案例

(2)焊料疲勞斷裂：微裂紋或斷裂位置在焊料體的內(nèi)部。按其發(fā)生的位置，常見的有焊盤側(cè)斷裂、芯片側(cè)斷裂以及焊盤與芯片側(cè)同時斷裂三種，如圖6.5所示。

(a)焊盤側(cè)斷裂(b)芯片側(cè)斷裂(c)焊盤與芯片兩側(cè)斷裂圖6.5焊料疲勞斷裂

焊料疲勞斷裂的主要原因是熱機械應(yīng)力。電子產(chǎn)品的工作環(huán)境不是一個恒溫工作環(huán)境，晝夜溫度變化、季節(jié)溫度變化、頻繁開關(guān)機等都會引起焊點溫度的周期性變化。由于器件與PCB板的熱膨脹系數(shù)(CTE)不同，長期的熱應(yīng)力變化就會引發(fā)焊點的蠕變—應(yīng)力釋放，最終將導(dǎo)致焊點的疲勞斷裂。

(3)焊料拉伸斷裂：裂縫或斷裂面位于焊點強度最薄弱處。常見的斷裂位置如圖6.6中的①、②、③、④所示。

大多數(shù)便攜式電子產(chǎn)品，如手機、MP4、PDA等，其工作環(huán)境相對比較好，使用壽命也相對較短(3～5年)。因此，在此類產(chǎn)品中，焊點通常不會因熱循環(huán)而失效，大多數(shù)情況下，是由于按鍵操作引起的PCBA彎曲以及摔到地上的沖擊應(yīng)力而導(dǎo)致失效的。焊點的可靠性“浴盆”曲線如圖6.7所示。所謂的“浴盆”曲線，是一種根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用時間出現(xiàn)的失效率所作的一條曲線圖，由于形狀像浴盆而得名“浴盆”曲線。一般可靠性的“浴盆”曲線，根據(jù)失效模式可以劃分為三個區(qū)：早期故障區(qū)(InfantMortality)、自由穩(wěn)態(tài)區(qū)(RandomSteady-State)和損耗區(qū)(Wearout)。在曲線上它們可以以曲線的拐點來進(jìn)行劃分。圖6.6常見拉伸斷裂的位置

圖6.7電子元件和焊點的“浴盆”曲線除表面組裝焊點的耗損區(qū)外，曲線上的值相當(dāng)?shù)某煞质穷A(yù)測值，不論焊點或元件的早期故障區(qū)還是穩(wěn)定區(qū)，都不存在堅實的數(shù)據(jù)支撐。這部分的曲線是基于經(jīng)驗、監(jiān)測趨勢以及一些公開出版物繪制的。元件的“浴盆”曲線實際上是一個“浴盆”曲帶，元器件的失效率取決于元件的復(fù)雜性，一般片式元件的失效率在浴盆曲帶的下部，多引線的載體的失效率在曲線的上部，這是因為片式元件的焊點屬于“剛性連接”，多引線的載體焊點的連接屬于“柔性連接”。對表面組裝焊點而言，沒有證據(jù)證明存在一個自由穩(wěn)態(tài)區(qū)，實際上就只有早期故障區(qū)和耗損區(qū)，而且早期故障區(qū)也幾乎不重要，因為失效率非常小。因此可以說，焊點的壽命主要取決于曲線右邊的上升部分，其失效率隨時間而變高。這與前面談到的焊點的失效主要是熱機械應(yīng)力引起的蠕變—應(yīng)力釋放疲勞失效的觀點是一致的。6.4.2焊點的可靠性試驗內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)

焊點的可靠性試驗內(nèi)容要根據(jù)焊點可能遇到的環(huán)境應(yīng)力來確定，見表6.1。表6.1焊點連接可靠性試驗內(nèi)容

焊點可靠性的實驗標(biāo)準(zhǔn)有：

(1)

IPC-SM-785《表面組裝連接加速可靠性試驗導(dǎo)則》。美國電子電路與電子互連行業(yè)協(xié)會(IPC)在1992年發(fā)布了IPC-SM-785《表面組裝連接加速可靠性試驗導(dǎo)則》，該導(dǎo)則對于如何進(jìn)行表面組裝焊點的可靠性試驗提供了指導(dǎo)意見，提出了應(yīng)該如何評估可靠性試驗的結(jié)果、應(yīng)該如何從可靠性試驗的結(jié)果推導(dǎo)出焊點連接在實際使用環(huán)境中的可靠性，并且為更好地理解加速試驗提供了相關(guān)的背景知識和設(shè)計思路。

(2)

IPC/EIAJ-STD-029《倒裝焊、芯片尺寸封裝、球柵陣列和其他表面組裝陣列封裝的性能和可靠性試驗方法》。2000年IPC與美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)聯(lián)合發(fā)布了IPC/EIAJ-STD-029《倒裝焊、芯片尺寸封裝、球柵陣列和其他表面組裝陣列封裝的性能和可靠性試驗方法》，該標(biāo)準(zhǔn)專門針對倒裝焊、芯片尺寸封裝、球柵陣列和其他表面組裝陣列封裝的質(zhì)量和可靠性，提供了詳細(xì)的測試方法，并且為供應(yīng)商和用戶提供了根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確立的可接受標(biāo)準(zhǔn)。

(3)

IPC-9701《表面組裝焊點連接性的能試驗方法與認(rèn)證要求》。2002年IPC又發(fā)布了最新的IPC-9701《表面組裝焊點連接性能的試驗方法與認(rèn)證要求》，該標(biāo)準(zhǔn)建立了明確的試驗方法來評估表面組裝焊點的性能和可靠性，通過測試可以將剛性電路板、柔性電路板、半剛性電路板上的表面組裝焊點的性能和可靠性劃分為不同的級別，同時提供了一種近似方法，把可靠性試驗結(jié)果與焊點在實際使用環(huán)境下的可靠性聯(lián)系起來。該標(biāo)準(zhǔn)可用來評估焊點設(shè)計和制造的可靠性，同時提供了標(biāo)準(zhǔn)化的試驗方法和報告方法。

IPC-9701的主要目的是研究那些發(fā)生在元件與PCB之間由于熱膨脹不匹配而引起的焊接點可靠性問題。

IPC-9701明確規(guī)定了焊點連續(xù)電性能測試的方法(如Datalogger等測試方法)及相關(guān)專用測試設(shè)備(如EspecAMR系列)。利用這些方法和設(shè)備，可以連續(xù)動態(tài)捕捉各種條件下開路情況的失效數(shù)據(jù)，而不會受電干擾影響；電阻值、溫度值等可以進(jìn)行自動連續(xù)測試采集，可以準(zhǔn)確地分析失效產(chǎn)生機理；同時可以控制試驗設(shè)備，更真實地再現(xiàn)環(huán)境與失效的關(guān)系；利用計算機豐富的存儲和統(tǒng)計功能可以進(jìn)行包括威布爾分布等在內(nèi)的各種統(tǒng)計分析。表面組裝焊點最壞的工作環(huán)境條件和推薦的加速試驗條件見表6.2，全面的應(yīng)用請參考IPC-SM-785(1992年11月版)的表1。表6.2表面安裝焊點最壞的工作環(huán)境條件和推薦的加速試驗條件

焊點的可靠性試驗方法有很多，一般常用的有熱循環(huán)試驗、熱沖擊試驗、振動試驗、焊點剪切試驗、焊點拉伸試驗。這些試驗方法也可用于SMT的工藝質(zhì)量的分析。本節(jié)僅就熱循環(huán)試驗、熱沖擊試驗的方法及應(yīng)用作一簡要介紹。6.5焊點及連接可靠性試驗的主要方法6.5.1熱循環(huán)試驗

熱循環(huán)試驗(ThermalCyclingTest)也稱為溫度循環(huán)試驗、高低溫循環(huán)試驗，就是將試驗樣品曝露于預(yù)設(shè)的高低溫交替的試驗環(huán)境中所進(jìn)行的可靠性試驗。熱循環(huán)試驗適用于揭示、評估由剪切應(yīng)力引起的“蠕變—應(yīng)力釋放”疲勞失效機理和可靠性，在焊點的失效分析和評價方面應(yīng)用廣泛。

1．試驗設(shè)備

熱循環(huán)試驗一般采用高低溫交變試驗箱或高低溫交變濕熱試驗箱進(jìn)行試驗，圖6.8為幾款高低溫交變試驗箱，其一般的性能規(guī)格為：

溫度范圍：-73～+177℃(國產(chǎn)設(shè)備大多為-80～+130℃)。

變溫速率(空氣)：最大23℃/min。

變溫速率(樣品表面)：最大15℃/min。

容積：150～1200

L，可選。

圖6.8高低溫交變試驗箱

應(yīng)注意到，市場上的溫度、濕度試驗箱有恒定試驗箱、交變試驗箱兩種情況。普通的高低溫試驗箱一般指的是恒定高低溫試驗箱，其控制方式為：設(shè)定一個目標(biāo)溫度，試驗箱具有自動恒溫到目標(biāo)溫度點的能力。高、低溫交變試驗箱具有設(shè)定一條或者多條高低溫變化、循環(huán)的程序，試驗箱有能力根據(jù)預(yù)置的曲線完成試驗過程，并且可以在最大升溫、降溫速率能力的范圍內(nèi)，精確控制升溫、降溫的速率。高低溫濕熱試驗箱、高低溫交變濕熱試驗箱也一樣。交變試驗箱都具有恒定試驗箱的功能，但交變試驗箱的制造成本較高。

2．試驗條件

1)用于焊點可靠性評價目的的試驗條件

對于焊點可靠性的評價，一般采用標(biāo)準(zhǔn)的加速可靠性試驗(AcceleratedReliabilityTest)方法。為避免其他因素誘發(fā)的失效，完全評估由蠕變及疲勞誘發(fā)失效的可靠性，推薦循環(huán)溫度范圍為0～100℃，溫度變化率為15℃/min，曝露時間為15

min。溫度范圍影響變形量，溫度變化率影響應(yīng)力值，曝露時間決定了蠕變的時間。為避免熱沖擊，溫度變化率應(yīng)小于等于20℃/min；為避免PCB發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，溫度循環(huán)的最高溫度不能超過PCB材料玻璃轉(zhuǎn)換溫度(Tg)以下25℃的溫度。由于Sn63Pb37共晶合金焊料的蠕變溫度為20℃，因此溫度循環(huán)的最低溫度低于20℃就沒有意義了，還會激發(fā)其他機理的失效。

表6.3為IPC-9701建議的熱循環(huán)試驗條件，可參考選用，但最終應(yīng)由用戶或客戶根據(jù)產(chǎn)品的用途、特定工作環(huán)境、試驗?zāi)康倪M(jìn)行選擇和確定。熱循環(huán)試驗對試驗的PCB板材、層數(shù)、尺寸，對元器件的封裝都有規(guī)定，詳細(xì)參見IPC-9701的4.2.1～4.2.2條的要求。圖6.9為典型的高低溫循環(huán)試驗溫度曲線，根據(jù)這個曲線可以理解熱循環(huán)的試驗參數(shù)的意義。

圖6.9典型的熱循環(huán)試驗溫度曲線

表6.3熱循環(huán)試驗條件

不同試驗條件、不同的焊料合金(試驗對象)得出的試驗結(jié)果會有不同。例如，某EMS企業(yè)對安裝在FR-4板上的1206元件焊點進(jìn)行了0℃←→+100℃熱循環(huán)試驗。SnAgCu和SnPb失效的周期數(shù)差不多，無鉛與有鉛焊點的可靠性相當(dāng)。但在-55℃←→+150℃的苛刻試驗條件下，無鉛焊點的可靠性不如有鉛焊點。

又如，某大型飛機制造公司對1206、LCCC、BGA、CSP焊點進(jìn)行試驗，結(jié)果是BGA、CSP無鉛焊點和1206、LCCC有鉛焊點都可以通過更多的熱循環(huán)周期。

因此，評價試驗結(jié)果的時候應(yīng)具體分析。對焊點而言，在低載荷條件下，有鉛焊料的蠕變相對無鉛焊料更快，而在高載荷條件下剛好相反，有鉛焊料相對無鉛焊料則更慢。

2)用于篩選試驗時的試驗條件

為了剔除潛在的制造缺陷，一般用到環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(ESS)。所謂ESS，就是選擇若干典型環(huán)境因素，施加適當(dāng)?shù)沫h(huán)境應(yīng)力于電路板組件或整機，將其所有潛在的工藝缺陷激發(fā)出來，加以剔除、修正或更換，并要求在試驗中不損壞產(chǎn)品中原來完好的部分或影響使用壽命，以此獲得最大限度的可靠性。在一些高可靠性產(chǎn)品的生產(chǎn)中，有些公司把熱循環(huán)試驗和振動試驗作為提高產(chǎn)品總體可靠性的方法納入到了產(chǎn)品生產(chǎn)工序中。用做此目的的熱循環(huán)試驗，一般取接近于產(chǎn)品允許的工作極限值溫度(通過HALT獲得的最高工作極限溫度和最低極限溫度)為循環(huán)溫度的最高/最低溫度，循環(huán)周期一般取10個周期，最少不能低于5個周期。6.5.2熱沖擊試驗

熱沖擊(ThermalShock)試驗，也稱溫度沖擊試驗。在熱沖擊中，極其迅速的溫度變化(≥30℃/min)將導(dǎo)致表面組裝組件的變形，變形將導(dǎo)致拉伸和剪切應(yīng)力，而且在整個熱穩(wěn)定狀態(tài)也一直存在拉伸應(yīng)力。這樣，即使熱膨脹系數(shù)匹配，在熱沖擊時也表現(xiàn)為焊點失效。因此，可以說熱沖擊試驗適用于拉伸和剪切應(yīng)力引起的可靠性問題評價與分析。另外，它在PCB的可靠性評價方面也應(yīng)用很多。

1．熱沖擊試驗的種類

熱沖擊試驗有兩類：一類是試驗樣品交互曝露于高溫空氣與低溫空氣中；另一類是試驗樣品交替浸入高溫液體與低溫液體中。前者被稱為氣槽熱沖擊試驗(在一個箱體內(nèi))，后者被稱為液槽熱沖擊試驗。

氣槽熱沖擊試驗與液槽熱沖擊試驗的不同之處主要是溫變速率的不同。液槽熱沖擊試驗的溫度跨度更大、溫變速率更快。

2．熱沖擊試驗與熱循環(huán)試驗的異同

熱沖擊試驗(ThermalShockTest)和熱循環(huán)試驗(ThermalCyclingTest)都屬于熱機械性能試驗，用于考察不同熱膨脹系數(shù)的材料之間的界面接觸良好率，也用于快速再現(xiàn)失效的目的。由于這些熱機械性能試驗自身條件的差異，它們在使用范圍以及引起失效的機理方面有所不同。

熱沖擊試驗一般使用二槽式試驗裝置，而熱循環(huán)試驗使用單槽式試驗裝置。前者溫度變化率通常要大于30℃/min，而后者一般要小于20℃/min。

在電子組裝領(lǐng)域，熱沖擊試驗偏重于裸板通孔、盲孔、焊盤、金屬線的評價測試，而熱循環(huán)試驗則偏重于焊點的評價測試。熱沖擊試驗(液槽)與熱循環(huán)試驗的對比見表6.4。

表6.4熱沖擊試驗(液槽)與熱循環(huán)試驗的對比3．熱沖擊試驗條件

熱沖擊試驗有兩個關(guān)鍵參數(shù)：溫度轉(zhuǎn)換時間(TransferTime)和溫度恢復(fù)時間(RecoveryTime)。溫度轉(zhuǎn)換時間指試樣從高溫槽(室)到低溫槽(室)或從低溫槽(室)到高溫槽(室)的移動時間。溫度恢復(fù)時間指試驗表面達(dá)到設(shè)置值時所用的時間。

1)用做焊點設(shè)計可靠性分析目的的試驗條件

在焊點設(shè)計可靠性分析中，一般采用高加速壽命試驗(HALT)。它施加的環(huán)境應(yīng)力是以遞增的形式變化的，其試驗過程是通過不斷加大的應(yīng)力來激發(fā)產(chǎn)品設(shè)計中潛伏的各種缺陷，直到產(chǎn)品的破壞極限。高加速壽命試驗(HALT)通常是一組試驗，一般要根據(jù)產(chǎn)品承受應(yīng)力的類型選擇要做的試驗項目(低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗、快速熱循環(huán)試驗、振動步進(jìn)應(yīng)力試驗、綜合應(yīng)力試驗、工作應(yīng)力測試等)。焊點的快速熱循環(huán)試驗一般采用的是氣槽溫度沖擊試驗，通常采用由溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗確定的最高/最低極限工作溫度作為熱循環(huán)試驗的最高/最低溫度進(jìn)行試驗，降溫與升溫速率必須大于40℃/min。在每個極端溫度處，停留時間必須使產(chǎn)品在該溫度下徹底平衡?？焖贌嵫h(huán)試驗一般進(jìn)行10個循環(huán)，最少也不能低于5個循環(huán)。

2)用做PCB可靠性評價時的試驗條件

在IPC標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境可靠性試驗項目(IPC-TM-650)中，總共有三個熱沖擊試驗方法，見表6.5，涉及兩箱法和三箱法。

表6.5IPC-TM-650涉及的部分熱沖擊試驗及試驗條件需要注意的是，Method2.6.7通常是用來評價互連電阻變化的，根據(jù)評價部位的不同，選用的試驗條件通常也會有巨大差異(如，裸板通孔電阻確認(rèn)通常選擇液槽，而焊點確認(rèn)通常要求氣槽)。

可靠性管理就是為了使產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的可靠性目的所進(jìn)行的一系列活動。即可靠性管理是在時間和經(jīng)費允許的范圍內(nèi)，根據(jù)用戶的要求，為了生產(chǎn)出具有高可靠性的產(chǎn)品，在設(shè)計、研制、制造、使用和維修的整個壽命周期內(nèi)，所進(jìn)行的一切組織、計劃、協(xié)調(diào)和控制等綜合性管理工作。6.6電子裝聯(lián)可靠性管理概述6.6.1可靠性管理的目的、特點與內(nèi)容

1．可靠性管理的目的

可靠性工作是一項“系統(tǒng)工程”，這個系統(tǒng)工程包括了工程技術(shù)和管理兩個方面的內(nèi)容。通過管理活動，將可靠性各項工作內(nèi)容有機地結(jié)合起來，動員各有關(guān)人員，協(xié)調(diào)一致地為達(dá)到可靠性目的而工作。可靠性管理的目的有以下幾點：

(1)加強對可靠性工作的領(lǐng)導(dǎo)及指導(dǎo)，調(diào)動各方面的積極性，正確地進(jìn)行可靠性工作。

(2)確認(rèn)、評價、審查各部門的可靠性工作計劃，使其符合完成總目標(biāo)的要求。

(3)對產(chǎn)品研制各階段的可靠性工作進(jìn)行檢查，監(jiān)督其按照計劃要求進(jìn)行。

(4)協(xié)調(diào)各部門、各崗位之間的可靠性工作，使可靠性的各項工作協(xié)調(diào)發(fā)展。如發(fā)生偏差，應(yīng)及時予以糾正。

2．可靠性管理的特點

可靠性管理與行政管理、項目管理等其他管理工作一樣，具有對可靠性工作的領(lǐng)導(dǎo)、組織、計劃、控制及人員配備等管理功能。可靠性管理工作有以下3個特點：

(1)戰(zhàn)線長。從產(chǎn)品方案階段開始，直至在使用中報廢，整個壽命周期內(nèi)的可靠性工作都互相聯(lián)系，互為影響。為產(chǎn)品可靠性工作提供技術(shù)支持、技術(shù)服務(wù)的公共技術(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)化、失效分析、試驗評價、信息交流等工作也與產(chǎn)品可靠性工作息息相關(guān)，缺一不可。戰(zhàn)線長，時間跨度大，增加了可靠性管理工作的難度，對高層管理人員、上級機關(guān)工作人員提出了高管理水平的要求。

(2)多層次性。由上述特點決定了可靠性管理工作不可能由一個