ESS研究SMT焊点的可靠性

1、介绍
    环境应力筛选的基本思想是选择若干典型环境因素，施加适当的环境应力于电路板组件或整机，将其所有的潜在工艺缺陷可能地激发出来，加以剔除，修正或更换。并要求在试验中不损坏产品中原来完好的部分或影响使用寿命，以此获得最大限度的可靠性。而SMT焊点可靠性是SMT能否被推广应用的关键，特别是在航天和军用等领域。目前，SMT的生产有多种工艺流程，其产品绝大部分是以引线元件与表面贴装元器件同时组装于电路基板的贴插混装工艺，由于SMT焊点较通孔器件的焊点不同，其焊点较薄，要求有较高的焊接强度，另外在双面混装工艺流程中，基板和器件要经过二次焊接（再流焊，波峰焊），这就对组装工艺提出了更高要求。基板与器件能否承受这种考验，在当前生产工艺的焊水平下，其焊点可靠性的环境应力性到底如何？需要作些试验，对产品焊点进行分析、评价，验证焊接的可靠性。
    对于SMT混装组件，我们主要采用的是可能遇到的温度循环（包括高、低温限和热冲击）及随机振动的环境应力。温度循环表现为变温率大，持续时间短；随机振动则为高幅值，宽频带，短时间。通过摸底环境应力筛选试验，讨论其焊点的可靠性。

2、 试验项目及设备
    我们选择如下条件做为环境应力筛选条件。
2、1 温度循环条件
（1）温度范围：-55～175°C；
（2）高、低温停留时间：以冷透、热透为原则。时间为30分钟。
（3）循环次数：共10次循环。
（4）试件状态：筛选试验在电路板上，不加电进行。
（5）试验设备：高、低温箱，型号：SD-302
2、2 振动条件
（1）频率：60HZ
（2）重力加速度：20g
（3）方向要求：x、y、z三个方向各作振动
（4）振动时间：三个方向各6小时
（5）试件状态：筛选试验在混装组件电路板上，不加电进行。
（6）试验设备：机械振动台，型号：Y50501ZF
2、3 热冲击条件
（1）温度范围：0～100°C
（2）温度变化速率：小于5°C/min
（3）停留时间：各30分
（4）循环次数：共10次循环
（5）试件状态：筛选试验在电路板上，不加电进行。
（6）试验设备：高、低温箱和鼓风干燥箱，型号：SD-302和2C-213
2、4 随机振动条件
（1）振动量级的PSD值：0.2g²/Hz.
（2）频率：10～2000Hz
（3）谱形见图1。

（4）总能量：19.8Grms
（5）施振时间：x、y、z三个方向振动，每个方向4min.
（6）连接形式和检查：要求试件与振动台刚性连接，不加电进行。
（7）试验设备：美国振动台，型号：612VH
2、5 机械冲击条件
（1）重力加速度：100g。
（2）冲击方向：x、y、z三个方向。
（3）冲击时间：1～3ms.
（4）冲击次数：各3次
（5）试件状态：筛选试验在电路板上，不加电进行。
（6）试验设备：型号：CS-50

3、试验样品及其工艺流程

4、试验分析程序
4、1 外观检查
    好的，可靠的焊接是用电气和机械两方面来衡量的。在组装后的寿命期中，都不能损坏。不论是通元件还SMD的焊接，也不管是波峰焊工艺还是再流焊工艺，焊接质量的规范基本上和通孔元件焊接质量要求一样，检查员可用三条基本规范来裁判，他们是：（1）好的焊锡侵润表面；（2）实心和平滑的焊接表面；（3）正确的焊锡量。
4、2 加电调试
    印制板组装完后的质量，最终是以加电是否正常来衡量。根据总体设计要求，当装配完成后，进行单板调试。合格后再作环境试验，每作一次项目，均需要经过加电调试，检验电参数是否合格。

5 失效机理分析与试验结果
5.1 温度循环的诱发机理
    当温度在上、下温度内循环时，组件交替膨胀和收缩，产生热应力和应变，如果组件内部邻接材料的热膨胀系数不匹配，则这些应力和应变将会加剧，最终造成结构故障并产生电故障。尤其是器件要经受冷热交替，如果器件在焊接之前吸入了大量潮气，在高温再流焊过程中，塑封中原先吸入的潮气突然气化，以致于内部水汽压力过大，引起塑封分层剥离开裂，塑封开裂产生的应力又造成了内线接头开裂，引起器件电开路。
5.1.1 试验结果
        这批试验板，在温度循环试验中，没有出现这种现象。按分析程序，外观检查：采用再流焊和汽相工艺流程生产的组件，原焊点透亮处，现微微泛黄，其上附有松香焊剂，即焊膏里的焊剂释放出来的。而波峰焊工艺则无此现象。加电调试，所有电气参数均合格。说明，焊接工艺是正确的，工艺参数的选择也是合理的。焊点的可靠性合同等环境下的要求。
  5.1.2 环境应力筛选试验的分析
a)元器件的脚形状对可靠性的影响：
    影响表面混装组件焊接点失效的关键问题是热应力。通过此次试验，焊点并没有失效，因为此批组件板上的器件引线形状均为翼型，说明引起失效的热应力与元件的引线形状有关。引线的形状不同，焊接点的可靠性也不同，翼型引线因是双弯曲结构，这种结构能使热 应力得到释放，因此减轻了热应力的作用，而J型引线焊后强度大，可靠性也高。但无引线元件的引出端，其焊接接点的可靠性相对要较差。据报道，片式陶瓷电容器焊在FR-4电路板上，在35°C温差下热循环，只能勉强经受5年试验，失效率达0.1%。目前这种元件经过了此次试验，只能说明能经受此温度循环。但焊点可靠性到底能维持多久不失效，失效周期及失效率为多少，有待以后研究。
b)安装工艺对可靠性的影响：
    使用表面器件时，一定要注意，当打开器件的真空包装后48小时内，要将器件焊到线路板上，以免器件吸入过量水分，在再流焊期间发生器件开裂现象。对已经吸入潮气的器件在焊接安装前，要经过干燥处理，将器中的水分吸出，以免器件接安装时发生塑封开裂，影响器件的长期可靠性和器件的电性能。
5.2 振动的诱发机理
    由于表面安装元件与焊盘间只有焊点的作用，不再有孔的作用，焊点的应力直接关系到焊的可靠性，特别是较大、较重的器件，在机械振动时可能出现拉断现象。焊接点应年承受较大的应力张力。
5、2、1 试验结果
    此项试验主要考验焊点的强度。因为SMT的可靠性主要取决于焊接点的可靠性，正确的焊点成型，是保证组装可靠性的关键，它与焊接过程中使用的材料与焊接工艺有密切关系。
    按分析程序，外观检查：结合SJ/10666-1995表面组装组件的焊点质量评定标准，人工目测焊点质量，符合上述要求。加电调试，所有电气参数均合格。说明，焊接工艺是正确的，焊接材料的选择也是合理的。焊点的可靠性符合同等环境下的要求。其焊点的可靠性能经受环境应力筛选试验。
  5.2.2 环境应力提筛选试验。
 a)焊接材料对可靠性的影响：
    表面安装元件的焊点既是与电路板触的电气接点，也是机械接点，这会造成如下局限：焊点上焊料比通孔插装焊点要小的多，且引线不穿过电路板，焊点处机械强度得不到增强，所以总的机械强度较小。通过此次试验，焊点并没有失效，说明引起失效的机械张力增强与焊接材料有关。主要为焊接过程中的焊膏，必须满足一定的要求，要求焊膏的配方不易形成焊球，焊剂残余物易于清除。最好使用含62%Sn、36%Pb、2%Ag的焊膏。具有中活性的特点。对形成良好的焊点有一定的作用。
  b)定装工艺对可靠性的影响：
    在涂敷焊膏时，用量要适当。太少不能保证焊点的强度，太多则与相邻焊点间易形成桥接。因此，在满足机械强度和电气性能的前提下，焊点要小，表面呈凹状较好。这种焊点能释放较大的张力。另外，焊接时，首要考虑选择适当的焊接方法，建立最佳焊接温度曲线，使焊接温度和焊接时间的相应性对SMT的影响最小，从而提高焊接点的可靠性。
  5.3 热冲击的诱发机理
    虽然该项试验没有温度循环的温度差大，但它的特点是瞬间加热快。由SMD的构造可知：SMD基本大都为陶瓷材料，陶瓷材料的热膨胀系数比有机制板要小一半左右，这一由于温差而产生膨胀的差异，必须完全由焊点来吸收。焊点易产生热应的裂纹。
  5.3.1 试验结果
 5.3.2 环境应力筛选试验的分析：
a)PCB上元器件的合理设计对可靠性的影响：
    要消除SMT的局限性，首先必须使焊点正确成型。而正确成型的前提是在PCB器件等必须合理设计，其次在PCB板布局时要合理安排元器件的位置，能在较宽的工作范围内使可靠性不会下降。同时注意焊盘的设计。设计可参考部及行业标准。
b)元器件对可靠性的影响：
    对实际生产而言，可靠性主要考虑的是工艺流程否合理，各工艺参数设置否正确，其产品的焊点是否合格和可靠，而元器件的合理封装与选用，不应属于生产的范畴。因为一是当前的SMD器件种娄还不是很多，选择的余地已受一些限制，集成电路基本采用国外芯片，二是元器件的封装和设计，已在生产厂家都已完成，出厂前均已受过一定程度的检验，有其合格数据表示，作为元器件制造厂，对自已生产的集成电路器件同样要提出明确的交待，质量与可靠性试验规范均应在产品的手册或供货协议中规定。我们应用单位也不可能对元器件进行再次研究，故而不考虑元器件的可靠性。
5.4 随机振动的诱发机理
    在很宽的频率范围内对产品施加振动。产品在不同的频率上同时受到应力后，会有许多共振点同时受到激励，使不同共振频率的元器件同时在共振，从而使安装不当的元器件受扭曲、碰撞等而使损坏的概率增加。
5.4.1试验结果
    按分析程序，外观检测所有的焊点均符合要求，但在加电调试时，1#和2#板出现问题。随机振动是按三个方向进行的。在作X、Z方向的振动时，1#板上的元器件晶振产生故障，损坏不能工作，更换新的器件恢复正常。而2#板上的继电器在作随机振动时，则损坏不正常，但仔细研究焊点却没有裂纹。说明是元器件的问题。结构设计时要充分考虑。
5.4.2 环境应力试验的分析：
    随机振动时，无引线元件与印制板之间应力完全要有焊点来吸收，时间长了焊点就容易失效。而有引线元件与印制板之间的应力则由引线和焊点一起来吸收，但是如果引线不够柔顺，焊点也容易失效。
a)印制板对可靠性的影响：
    电子产品在流通、使用过程中不可避免的受到随机振动的作用，印制板在外界激励下产生揉曲，共振时更为严重。因此要求印制板有一定的硬度和弯曲度，一般为3～5°。
b)安装工艺的影响：
    片式陶瓷元件的贴装过程中，贴片机的贴装头要在元件的表面产生压痕，压力控制不当，则会出现裂纹，这种微纹是可靠性的隐患。这类故障出现时，往往会使信号时断时续，或阻值容量变化，或漏电流增大等等。在一般的检查中难以发现，主要是加电工作调试时才能检查到。其原因一部分是由元件器件自身的质量差造成的，绝大部分原因则是在装配过程造成的从而影响了产品的可靠性与使用寿命。

6 结论：
    通过对SMT混装组件进行可靠性环境应力试验，初步验证焊点的可靠性，感觉到环境应力试验可以提高产品的可靠性水平，但不能提高产品的固有可靠性。只有改进了设计、工艺后才能提高。它不是可靠性验收试验，但通过环境应力试验的产品有利于验收。筛选试验的条件的选择和变化速率等考虑是根据我们特殊产品需求提出的，同时也是对我们当前工艺的考核。说明了SMT混装通用工艺形成的焊点可靠性基本上是好的，进一步证明了这种工艺是满足我们特殊产品可靠性的需求的。由此可见，SMT混装工艺及其生产值得在航天及军用领域中应用。