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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(wèn)題處理方案。

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(dòng)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(duì)篩選要求、篩選過(guò)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(guò)程的監(jiān)督工作[1]。

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(dòng)中出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力失效。

圖 1為一款專用ASIC電路，采用陶瓷外殼封裝，通過(guò)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(jí)篩選試驗(yàn)（隨機(jī)振動(dòng)）后輸出異常，經(jīng)X-ray檢測(cè)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)端口對(duì)應(yīng)的內(nèi)部鍵合絲存在接觸短路異常，同時(shí)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）

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(dòng)頻率范圍上限2 000 Hz，可能會(huì)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(xiǎn)。調(diào)取電路板級(jí)試驗(yàn)前X射線照片，發(fā)現(xiàn)其兩個(gè)端口鍵合絲距離因其他原因已經(jīng)非常接近。加上在板級(jí)隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，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。

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(duì)大跨徑比（鍵合絲寬度/鍵合絲直徑）的鍵合絲進(jìn)行振動(dòng)幅度仿真分析。具體規(guī)則為：當(dāng)跨徑比不大于100時(shí)，可直接執(zhí)行；在跨徑比在100~120之間時(shí)需進(jìn)行仿真分析。

圖 3為一款專用SiP電路，采用金屬外殼封裝，通過(guò)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(dòng)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(dòng)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(guò)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。

為解決該問(wèn)題，為電路設(shè)計(jì)了一款專用卡扣，在固定電路本體的同時(shí)，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(dòng)試驗(yàn)，問(wèn)題得到解決。

圖3：電路外形圖（上）

電路卡扣及仿真結(jié)果（下）

微電子產(chǎn)品的失效率隨溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)，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(jì)，55 %的電子產(chǎn)品失效是由于溫度過(guò)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。

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(guò)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(chǎng)，當(dāng)熱應(yīng)力大于材料失效臨界值時(shí)，便導(dǎo)致電子封裝內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、分層等缺陷[4]。

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(guò)鎢合金焊盤、銀銅焊料相連。在使用時(shí)，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。

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(guò)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(wèn)題，如圖 6所示。

針對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(huì)影響管殼外觀，壞處是會(huì)增加管殼的制作難度。

此外，器件使用方也會(huì)對(duì)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(huì)帶來(lái)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 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(wú)引線標(biāo)貼封裝）。該電路在實(shí)際使用調(diào)試時(shí)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(duì)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。

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。

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(duì)于JC128-1型陶瓷外殼而言，陶瓷與PCB板之間僅通過(guò)焊盤、焊料進(jìn)行連接，且由于JC128-1型外殼焊盤無(wú)外引線打彎的結(jié)構(gòu)，單獨(dú)的焊料和焊盤對(duì)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(jì)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。

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(wèn)題的新的有效手段。