電子元器件環(huán)境應(yīng)力篩選失效分析案例，環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)驗(yàn)室，第三方檢測機(jī)構(gòu)，國家認(rèn)可的第三方測試機(jī)構(gòu)，出具國家認(rèn)可的第三方報告，檢測試驗(yàn)找彭光瓊V一三六九一零九三五零三。在各類武器系統(tǒng)產(chǎn)品研制和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，環(huán)境應(yīng)力篩選是確認(rèn)其電子產(chǎn)品部件可靠性的一種必要手段。本文從實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用出發(fā)，闡述了環(huán)境應(yīng)力篩選中各失效（機(jī)械應(yīng)力失效及熱應(yīng)力失效）的作用機(jī)理及實(shí)例分析，并結(jié)合失效實(shí)例給出通用的問題處理方案。

作者簡介：沈士英，高級工程師，研究方向：元器件質(zhì)量管理與可靠性，就職于華東電子工程研究所。

電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選是在產(chǎn)品上施加隨機(jī)振動及溫度循環(huán)應(yīng)力，以鑒別和剔除由產(chǎn)品工藝和元器件潛在缺陷引起的早期故障的一種工序和方法。GJB 10322《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》等對篩選要求、篩選過程管理、篩選應(yīng)力條件和工作流程等做出了明確的規(guī)定，用于指導(dǎo)承制單位開展環(huán)境應(yīng)力篩選，軍事代表室據(jù)此實(shí)施篩選過程的監(jiān)督工作[1]。

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目前，電子元器件因環(huán)境應(yīng)力而出現(xiàn)的失效類別有兩種，一是機(jī)械應(yīng)力失效，二是熱應(yīng)力失效。電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選則是主要考慮隨機(jī)振動中出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力失效。

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機(jī)械應(yīng)力失效

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隨機(jī)振動試驗(yàn)及失效機(jī)理

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隨機(jī)振動試驗(yàn)是為確定微電路經(jīng)受動態(tài)應(yīng)力的能力，這種動態(tài)應(yīng)力是由在上、下限頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動來施加，它模擬了各種現(xiàn)場環(huán)境下出現(xiàn)的振動[2]。而隨機(jī)振動來源則主要是武器系統(tǒng)發(fā)動機(jī)帶來的特殊現(xiàn)場環(huán)境。由隨機(jī)振動產(chǎn)生的應(yīng)力對電路帶來的失效一般出現(xiàn)在鍵合絲或引線處，帶來的具體失效結(jié)果一般包括鍵合絲扭曲變形、鍵合絲振動短接、引線疲勞斷裂等。

鍵合絲失效機(jī)理：當(dāng)電子元器件的固有頻率接近隨機(jī)振動試驗(yàn)頻率的區(qū)間（一般為20~2 000 Hz）時，鍵合絲因隨機(jī)振動而產(chǎn)生較大的振幅，進(jìn)而導(dǎo)致相鄰鍵合絲間距縮小甚至短接。更嚴(yán)重時，電子元器件固有頻率落在隨機(jī)振動試驗(yàn)頻率區(qū)間內(nèi)，引發(fā)共振現(xiàn)象，使鍵合絲振動無規(guī)律，產(chǎn)生塑性變形而不可恢復(fù)，最終鍵合絲扭曲并形成不規(guī)律變形。

引線疲勞斷裂機(jī)理：隨機(jī)振動使得引線在不停的無規(guī)律振動中發(fā)生塑性變形而不可恢復(fù)，最終達(dá)到材料的疲勞極限，進(jìn)而發(fā)生疲勞斷裂。

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鍵合絲失效案例分析

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圖 1為一款專用ASIC電路，采用陶瓷外殼封裝，通過底部176根直徑0.45 mm的引線與外部進(jìn)行電氣及機(jī)械連接。該電路在經(jīng)歷板級篩選試驗(yàn)（隨機(jī)振動）后輸出異常，經(jīng)X-ray檢測發(fā)現(xiàn)兩個端口對應(yīng)的內(nèi)部鍵合絲存在接觸短路異常，同時部分鍵合絲存在輕微扭曲變形，詳見圖 2。

圖1：電路外形圖（上）

圖2：鍵合絲變形（下）

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經(jīng)分析，該電路采用30 μm金絲鍵合，鍵合絲跨度4.50 mm。產(chǎn)品1階模態(tài)頻率約2 100.2 Hz，接近隨機(jī)振動頻率范圍上限2 000 Hz，可能會導(dǎo)致鍵合絲整體發(fā)生較大的振幅，甚至出現(xiàn)共振風(fēng)險。調(diào)取電路板級試驗(yàn)前X射線照片，發(fā)現(xiàn)其兩個端口鍵合絲距離因其他原因已經(jīng)非常接近。加上在板級隨機(jī)振動時，鍵合絲發(fā)生的較大振幅，最終使兩根鍵合絲短接并導(dǎo)致電路輸出異常。

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為避免該現(xiàn)象再次發(fā)生，后續(xù)嚴(yán)格控制鍵合絲的跨度，并對大跨徑比（鍵合絲寬度/鍵合絲直徑）的鍵合絲進(jìn)行振動幅度仿真分析。具體規(guī)則為：當(dāng)跨徑比不大于100時，可直接執(zhí)行；在跨徑比在100~120之間時需進(jìn)行仿真分析。

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引線失效案例分析

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圖 3為一款專用SiP電路，采用金屬外殼封裝，通過底部10根直徑0.45 mm的引線與外部進(jìn)行電氣及機(jī)械連接，電路總重量達(dá)68 g。該電路在隨組件隨機(jī)振動中出現(xiàn)失效。失效現(xiàn)象為引線依次斷裂，電路整體與組件脫離并飛出組件。該電路的實(shí)際使用條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)惡劣于產(chǎn)品的考核條件。以實(shí)際隨機(jī)振動條件進(jìn)行仿真分析后確認(rèn)：產(chǎn)品引線處受到的最大應(yīng)力已經(jīng)超過產(chǎn)品引線材料的耐受應(yīng)力極限。在此條件下，電路引線很快達(dá)到疲勞極限，直接發(fā)生斷裂。

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為解決該問題，為電路設(shè)計了一款專用卡扣，在固定電路本體的同時，增加電路整體焊接引線數(shù)?？奂胺抡娼Y(jié)果如圖 3下方所示。增加卡扣后，電路隨組件再次進(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)，問題得到解決。

圖3：電路外形圖（上）

電路卡扣及仿真結(jié)果（下）

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針對該問題，后續(xù)對于該類大質(zhì)量、細(xì)引線金屬外殼，均需提前按照實(shí)際使用條件進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行樣品實(shí)物摸底驗(yàn)證。對于有風(fēng)險的封裝，可改進(jìn)外殼引線直徑或增加卡扣設(shè)計進(jìn)行固定。

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熱應(yīng)力失效

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熱相關(guān)試驗(yàn)及熱應(yīng)力失效機(jī)理

微電子產(chǎn)品的失效率隨溫度的升高呈指數(shù)增長，微電子產(chǎn)品的工作溫度每升高10 ℃，其失效率增加一倍。據(jù)統(tǒng)計，55 %的電子產(chǎn)品失效是由于溫度過高引起的，熱失效已經(jīng)成為電子產(chǎn)品封裝的主要失效形式之一[3]。熱應(yīng)力失效環(huán)節(jié)包括溫度循環(huán)、熱沖擊、老煉、壽命等環(huán)節(jié)。所有這些試驗(yàn)均存在高溫或者低溫的極限工作情況。

溫度循環(huán)目的：測定器件承受極端高溫和極端低溫的能力，以及極端高溫與極端低溫交替變化對器件的影響；

熱沖擊目的：確定器件在遭到溫度劇變時的抵抗能力，以及溫度劇變產(chǎn)生的作用；

老煉試驗(yàn)?zāi)康模簽榱撕Y選或剔除那些勉強(qiáng)合格的器件；

壽命試驗(yàn)?zāi)康模捍_定壽命分布、壽命加速特性和失效率水平[2]。

從物理上看，電子封裝結(jié)構(gòu)是電子元器件實(shí)現(xiàn)電子電路功能的物理載體，發(fā)生熱應(yīng)力失效的機(jī)理為：使用過程中由于溫度分布不均以及熱膨脹系數(shù)不匹配，在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)形成熱應(yīng)力場，當(dāng)熱應(yīng)力大于材料失效臨界值時，便導(dǎo)致電子封裝內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、分層等缺陷[4]。

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陶瓷外殼引線成型

陶瓷外殼是目前軍用單片電路中應(yīng)用非常廣泛的外殼之一。常見的陶瓷外殼本體一般采用氧化鋁陶瓷材料，引線采用鐵鎳合金4J42或鐵鎳鈷合金4J29，兩者之間通過鎢合金焊盤、銀銅焊料相連。在使用時，一般采用鉛錫銀等焊料直接將封裝引線焊接在PCB板的Cu制PAD上，如圖 5所示。各組件材料如表 1所示。

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由表 1可知，PCB板材與氧化鋁陶瓷、可伐合金等之間存在10倍以上的熱膨脹系數(shù)差距。而他們之間僅通過焊盤、焊料進(jìn)行連接，且焊料和焊盤因?yàn)楹穸仍驅(qū)?yīng)力的緩沖作用有限。因此在圖 5的結(jié)構(gòu)中，一旦電路經(jīng)歷高溫或者低溫環(huán)境，電路極易因PCB板材和氧化鋁陶瓷之間巨大的熱脹冷縮而出現(xiàn)陶瓷拉裂、引線脫離、焊盤拉裂等問題，如圖 6所示。

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圖 6 典型陶瓷拉裂、焊盤拉裂失效

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針對上述情況，在高可靠性應(yīng)用環(huán)境，QJ 3171-2003《航天電子電氣產(chǎn)品元器件成形技術(shù)要求》中第4.4節(jié)對扁平封裝引線進(jìn)行了成型要求[5]。成型的目的是增加PCB板材和陶瓷外殼之間的緩沖區(qū)間，即中間段的引線。該操作可以使應(yīng)力在中間段引線、引線倒角得到有效的釋放。而各個外殼廠家根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況及工藝經(jīng)驗(yàn)，一般對陶瓷外殼進(jìn)行了兩種類型的成型處理，如圖 7所示。這種成型一般是在管殼制作階段進(jìn)行，其好處是不會影響管殼外觀，壞處是會增加管殼的制作難度。

圖 7 廠家扁平封裝成型示意

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此外，器件使用方也會對元器件進(jìn)行二次成形，如圖 8所示。這種二次成形的好處是采用通用元器件產(chǎn)品進(jìn)行成型，使用靈活多變，但壞處是會帶來引線壓痕、劃傷，影響外觀，如圖 9所示。典型成型后產(chǎn)品如圖 10所示。

圖 8 二次成形示意

圖 9 二次成形外觀損傷

圖 10 典型引線成型產(chǎn)品

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典型熱應(yīng)力匹配失效案例

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圖 11為一款采用混合電路微組裝工藝制造的混合集成電路，該電路采用JC128-1封裝（128引出端陶瓷無引線標(biāo)貼封裝）。該電路在實(shí)際使用調(diào)試時出現(xiàn)焊接原因?qū)е碌钠骷收?。?jīng)工藝驗(yàn)證確認(rèn)：JC128-1封裝因?yàn)槌叽巛^大，對焊接參數(shù)要求較為苛刻，引起部分焊點(diǎn)開裂，最終形成開路失效。

圖 11 封裝實(shí)物（JC128-1）

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JC128-1型陶瓷外殼應(yīng)用示意及組件材料如圖 12及表 2所示。

圖 12 JC128-1封裝焊接示意圖

表2 材料特性

PCB板與氧化鋁陶瓷、可伐合金等之間存在10倍以上的熱膨脹系數(shù)差距。而對于JC128-1型陶瓷外殼而言，陶瓷與PCB板之間僅通過焊盤、焊料進(jìn)行連接，且由于JC128-1型外殼焊盤無外引線打彎的結(jié)構(gòu)，單獨(dú)的焊料和焊盤對應(yīng)力的緩沖作用有限，一旦電路經(jīng)歷高溫或者低溫環(huán)境，易因PCB板材和氧化鋁陶瓷之間巨大的熱脹冷縮導(dǎo)致焊料開裂、引線脫離等。為此，設(shè)計團(tuán)隊(duì)將JC128-1外殼更改為帶引線的MCP96A外殼，更改方案及更改后應(yīng)力分析如圖 13所示。

圖 13 JC128-1封裝改進(jìn)示意圖

針對此情況，航空航天相關(guān)單位對無引線陶瓷封裝（LCC類）的封裝尺寸做出了禁限用要求，具體為：邊長大于10.16 mm的無引腳陶瓷器件禁止在FR4印制板上直接焊接。該類封裝應(yīng)更改為CQFP或CQFJ等封裝，更改后的封裝同時需按照QJ3171-2003等要求進(jìn)行引線成型。

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總結(jié)

環(huán)境應(yīng)力篩選是剔除電子產(chǎn)品缺陷的一種重要工藝手段。在實(shí)際工程中，各類技術(shù)人員需要從大量的失效實(shí)例中不斷積累學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)處理手段，并在滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，探索解決應(yīng)力失效問題的新的有效手段。