黃明懷

（蚌埠市雙環(huán)電子集團(tuán)股份有限公司, 安徽 蚌埠 233010）

隨著科技的發(fā)展，芯片功耗越來(lái)越低，為電子產(chǎn)品的小型化進(jìn)程提供了條件，表面貼裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，貼片元件得到廣泛運(yùn)用。目前，貼片元件已取代了絕大部分傳統(tǒng)的插件元件，成為了電子產(chǎn)品的主角。計(jì)算機(jī)、手機(jī)、家電、通訊、航空、航天、車(chē)載等電子產(chǎn)品或應(yīng)用都大量采用了表面貼裝技術(shù)和片式元器件。貼片元件雖然有體積小、材料消耗少、功耗小、便于制造和使用等不可替代的優(yōu)越性能。但是，由于其結(jié)構(gòu)和材料在現(xiàn)有技術(shù)條件下的局限性，其環(huán)境適應(yīng)性無(wú)法滿足全工況狀態(tài)。手機(jī)、家電、儀器儀表等由于使用環(huán)境中溫差不大（一般在10-30℃），無(wú)震動(dòng)沖擊等機(jī)械應(yīng)力作用，工作濕度一般在30%-70%，因此這類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)用中除貼片元件本身缺陷外較少出現(xiàn)由貼片元件造成的失效。而在特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如機(jī)載電子設(shè)備在起降過(guò)程和飛行過(guò)程中的震動(dòng)沖擊、飛機(jī)的飛行和儲(chǔ)存環(huán)境中溫度的差異、火箭發(fā)射過(guò)程、車(chē)載儀器運(yùn)行和季節(jié)變換使用中，在環(huán)境溫度反復(fù)大幅度變化、高加速度震動(dòng)沖擊等應(yīng)力作用下，貼片元件會(huì)發(fā)生無(wú)法克服的特有的失效模式：焊點(diǎn)疲勞失效。研究表明，表面貼裝元器件焊點(diǎn)疲勞失效是電子產(chǎn)品常見(jiàn)的失效模式之一[1]。其中熱失配造成的熱疲勞失效和彈性模量失配造成的機(jī)械疲勞失效占焊點(diǎn)失效總數(shù)的近80%[1]。解決焊點(diǎn)疲勞失效問(wèn)題是提升電子產(chǎn)品可靠性的一個(gè)重要途徑。為此，我們對(duì)貼片電阻焊點(diǎn)失效的機(jī)理和成因進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)設(shè)計(jì)了一款高可靠精密表面貼裝CMP型電阻器，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、關(guān)鍵工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化，徹底解決了焊點(diǎn)疲勞失效問(wèn)題，產(chǎn)品外形整體呈長(zhǎng)方體，本體由環(huán)氧模塑料包封，兩端有兩個(gè)J型引出端，CMP型產(chǎn)品具備了高精度、低溫度系數(shù)、耐濕性好、機(jī)械強(qiáng)度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了航空、航天、車(chē)載等惡劣工況應(yīng)用的可靠性。

一、貼片電阻焊點(diǎn)失效機(jī)理分析

一般來(lái)說(shuō)，貼片電阻的電裝工藝是通過(guò)印刷工序?qū)⒑噶希ㄥa膏）印制到PCB板的焊盤(pán)上，再由貼片機(jī)將貼片電阻貼裝到相應(yīng)的覆蓋了焊料的焊盤(pán)位置，再將PCB板通過(guò)回流焊設(shè)備，焊盤(pán)上的焊料在適當(dāng)?shù)幕亓骱笢囟茸饔孟?，將貼片電阻與焊盤(pán)焊接在一起。焊點(diǎn)既是貼片電阻與電路的電連接通道，也承擔(dān)貼片電阻與焊盤(pán)的機(jī)械聯(lián)接。在回流焊烘道中，焊料隨溫度變化逐步熔融、潤(rùn)濕、擴(kuò)散、浸潤(rùn)、冶金化，最終形成焊點(diǎn)。貼片電阻焊點(diǎn)形成過(guò)程和焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 焊點(diǎn)形成過(guò)程示意圖

圖2 焊點(diǎn)實(shí)圖

二、焊點(diǎn)受力分析和失效機(jī)理

貼片電阻基體由高純度氧化鋁陶瓷構(gòu)成，一般氧化鋁含量為96%-99.6%，甚至更高。而PCB線路板由玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成，二者熱膨脹系數(shù)和彈性模量相差較大。其中，陶瓷的彈性模量大約是PCB板的14倍，這表明在受力相同情況下PCB更容易變形，其結(jié)果是二者變形不同步。陶瓷的熱膨脹系數(shù)是PCB的40%，這表明在同樣溫度變化范圍內(nèi)，陶瓷因受熱膨脹導(dǎo)致的尺寸增加量只相當(dāng)于PCB的40%，二者膨脹量不同，造成熱失配。如表1所示。

表1 材料特性參數(shù)表

由此可見(jiàn)，貼片電阻焊點(diǎn)疲勞失效誘因可分為熱疲勞失效和機(jī)械疲勞失效。

（一）熱應(yīng)力條件下貼片電阻焊點(diǎn)的疲勞失效

從貼片電阻在PCB板上的結(jié)構(gòu)來(lái)看，在熱應(yīng)力作用下，焊點(diǎn)所受的應(yīng)力來(lái)自于熱失配，由于溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮，使得兩種材料尺寸發(fā)生變化，從而造成焊點(diǎn)相對(duì)位移趨勢(shì)。其主要分為整體溫度升高、整體溫度降低、貼片電阻工作狀態(tài)下自身溫度升高、貼片電阻工作狀態(tài)結(jié)束后的自身溫度降低等幾種情況。貼片電阻焊接在PCB板示意圖如圖3所示。

圖3 貼片電阻焊接示意圖

當(dāng)貼片電阻開(kāi)始工作時(shí)，由于負(fù)載作用，貼片電阻自身發(fā)熱而膨脹，而PCB板未受熱維持原狀；或者當(dāng)整體溫度降低，PCB板和貼片電阻同時(shí)收縮，因PCB板膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于貼片電阻，PCB板收縮量大于貼片電阻。此時(shí)，貼片電阻焊點(diǎn)間距相對(duì)于貼片電阻變小，使得焊點(diǎn)受到自外向內(nèi)的擠壓應(yīng)力作用，如圖4所示。

圖4 焊點(diǎn)受到自外向內(nèi)的擠壓應(yīng)力作用

當(dāng)貼片電阻結(jié)束工作時(shí)，由于負(fù)載消除，貼片電阻開(kāi)始降溫而收縮，PCB板溫度未發(fā)生變化維持原狀；或者當(dāng)整體溫度上升，PCB板和貼片電阻同時(shí)膨脹，因PCB板膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于貼片電阻，PCB板膨脹量大于貼片電阻。此時(shí)貼片電阻焊點(diǎn)間距相對(duì)于貼片電阻變大，使得焊點(diǎn)受到自內(nèi)向外的拉伸應(yīng)力作用，如圖5所示。

圖5 焊點(diǎn)受到自內(nèi)向外的拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)貼片電阻采用降額設(shè)計(jì)冗余量較高或整體工作環(huán)境溫度為恒溫狀態(tài)時(shí)，貼片電阻自身發(fā)熱較低，因工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)變引起的熱脹冷縮對(duì)焊點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力較小，焊點(diǎn)的焊料就可以吸收大部分應(yīng)力，從而不會(huì)對(duì)焊點(diǎn)構(gòu)成損傷。

當(dāng)貼片電阻工作負(fù)載較大或者整機(jī)工作環(huán)境溫度變化較大（有些服役環(huán)境溫度范圍-50℃-+70℃）時(shí)，因貼片電阻和PCB板的膨脹系數(shù)失配，貼片電阻焊點(diǎn)就會(huì)受到熱脹冷縮產(chǎn)生的較大應(yīng)力作用。在這一應(yīng)力的反復(fù)作用下，焊料發(fā)生應(yīng)變，這一應(yīng)變過(guò)程會(huì)從蠕變、形變、塑變、產(chǎn)生微小裂紋，直到焊點(diǎn)開(kāi)裂失效[2]?？梢?jiàn)熱失配帶來(lái)的應(yīng)力應(yīng)變是造成焊點(diǎn)失效的一個(gè)主要來(lái)源[3]。

試驗(yàn)表明當(dāng)熱循環(huán)應(yīng)力為-25℃-100℃時(shí)，大約在6900次循環(huán)時(shí)50%以上焊點(diǎn)發(fā)生疲勞失效[4]；當(dāng)熱循環(huán)應(yīng)力為-40℃-125℃時(shí)，大約在1500次循環(huán)時(shí)50%以上焊點(diǎn)發(fā)生疲勞失效[1]。

熱循環(huán)應(yīng)力為-40℃～125℃時(shí)的焊點(diǎn)變化過(guò)程[1]如圖 6～11 所示。

（二）機(jī)械應(yīng)力條件下貼片電阻焊點(diǎn)的疲勞失效

首先我們進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力來(lái)源和應(yīng)力作用產(chǎn)生方式分析。電子產(chǎn)品在服役狀態(tài)下，其所受機(jī)械應(yīng)力主要來(lái)自于振動(dòng)和沖擊，貼片電阻在受到振動(dòng)和沖擊的PCB板上的受力示意圖如圖12所示。

圖6 焊點(diǎn)原始狀態(tài)

圖7 熱循環(huán)500次

圖8 熱循環(huán)750次

圖9 熱循環(huán)1500次

圖10 焊點(diǎn)完全斷裂

圖11 焊點(diǎn)失效的貼片元件

圖12 貼片電阻在受到振動(dòng)和沖擊的PCB板上的受力示意圖

從圖12我們可以看到，PCB板在振動(dòng)或沖擊作用下，發(fā)生彎曲形變。由于貼片電阻由焊點(diǎn)固定在PCB板上，PCB板彎曲形變產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò)焊點(diǎn)傳導(dǎo)給貼片電阻，從而使貼片電阻也產(chǎn)生相應(yīng)的形變，這種形變會(huì)隨著振動(dòng)沖擊的變化而產(chǎn)生方向相反的變化。當(dāng)PCB板向下彎曲時(shí)，貼片電阻焊點(diǎn)會(huì)受到向外的拉伸應(yīng)力作用，如圖13所示。

圖13 貼片電阻焊點(diǎn)會(huì)受到向外的拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)PCB板向上彎曲時(shí)，貼片電阻焊點(diǎn)會(huì)受到向內(nèi)的擠壓應(yīng)力作用，如圖14所示。

圖14 貼片電阻焊點(diǎn)會(huì)受到向內(nèi)的擠壓應(yīng)力作用

在這種反復(fù)的拉伸、擠壓應(yīng)力作用下，貼片電阻焊點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，以致最終失效。其失效模式基本與熱循環(huán)導(dǎo)致的熱疲勞失效相同，均為從焊料和貼片電阻的界面處發(fā)生。同時(shí)，由于PCB板都會(huì)由螺釘安裝固定在機(jī)殼上，當(dāng)PCB板受熱膨脹時(shí)，因周邊被固定，膨脹將會(huì)導(dǎo)致PCB板中間隆起，同樣會(huì)造成貼片電阻焊點(diǎn)受到應(yīng)力作用。

通過(guò)以上分析，貼片電阻焊點(diǎn)失效是其固有的失效模式，在航空、航天、艦載、車(chē)載等惡劣服役環(huán)境下，隨著服役時(shí)間的延續(xù)，貼片電阻焊點(diǎn)疲勞失效成為必然，這嚴(yán)重影響了相關(guān)領(lǐng)域的可靠性。

三、高可靠精密表面貼裝電阻器設(shè)計(jì)

在航空、航天、車(chē)載、艦載等使用環(huán)境惡劣，對(duì)裝備可靠性要求極高的領(lǐng)域，現(xiàn)有貼片電阻由于存在著焊點(diǎn)疲勞失效缺陷，給裝備的可靠性帶來(lái)隱患。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款新型表面貼裝電阻器—CMP型高可靠精密貼裝電阻器。

（一）惡劣使用環(huán)境對(duì)電阻器的要求

1．可靠性，包含了產(chǎn)品固有的可靠性和產(chǎn)品裝配后的可靠性，如貼片電阻焊點(diǎn)疲勞失效就是裝配后可靠性下降；

2．耐濕性，產(chǎn)品使用環(huán)境中會(huì)遇到濃霧、暴雨、海洋鹽霧等各種高濕度、腐蝕性環(huán)境，產(chǎn)品耐濕性不良將會(huì)在惡劣環(huán)境下失效；

3．良好的機(jī)械強(qiáng)度，因航空、航天、車(chē)載、艦載等領(lǐng)域工作狀態(tài)下存在沖擊、振動(dòng)等加速度應(yīng)力，產(chǎn)品本體必須具備足夠的強(qiáng)度，否則會(huì)有可能出現(xiàn)機(jī)械損傷。在一些領(lǐng)域因機(jī)械強(qiáng)度不良，已將長(zhǎng)寬比較大的1206規(guī)格的貼片電阻列為限用或禁用；

4．耐高低溫性能，有些應(yīng)用環(huán)境溫度會(huì)從-50℃-150℃；

5．穩(wěn)定性，包括隨服役時(shí)間的增加各種指標(biāo)的穩(wěn)定性和隨溫度變化的穩(wěn)定性（較小的溫度系數(shù)）。

（二）設(shè)計(jì)對(duì)策

針對(duì)以上要求，我們有針對(duì)性的進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1．首先我們需要解決的是貼片電阻焊點(diǎn)疲勞失效問(wèn)題，以提高裝備的可靠性。熱失配和彈性模量的差異導(dǎo)致的焊點(diǎn)不斷受到應(yīng)力作用是造成焊點(diǎn)疲勞失效的根本原因，而熱失配和彈性模量差異在現(xiàn)有技術(shù)條件下無(wú)法避免，作用在焊點(diǎn)上的應(yīng)力就必然存在，如何釋放應(yīng)力，讓?xiě)?yīng)力不再作用于焊點(diǎn)上，或者降低作用在焊點(diǎn)上的應(yīng)力就成了解決問(wèn)題的關(guān)鍵。為此，我們?yōu)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)了L型引出端，引出端材料采用電解銅鍍錫，并且在引出端與端面間留下0.3mm間隙，焊接部分我們?cè)O(shè)計(jì)為與水平面呈3°夾角，以此來(lái)釋放焊點(diǎn)受到的應(yīng)力。電解銅具有良好的塑性和足夠的彈性，既可以確保產(chǎn)品在PCB板上的牢固連接，也可以在焊盤(pán)受到應(yīng)力時(shí)將應(yīng)力傳導(dǎo)到引腳上，良好的塑性電解銅材料會(huì)在應(yīng)力作用下迅速產(chǎn)生形變，將應(yīng)力釋放，0.3mm的間隙也為引腳在向內(nèi)的應(yīng)力作用下產(chǎn)生的形變提供了空間。焊接部分與水平面間的3°夾角在焊接完成后，引腳下面的焊料與引腳外側(cè)焊料對(duì)引腳形成雙向包裹，并將焊點(diǎn)受到的水平方向的應(yīng)力轉(zhuǎn)換方向后傳遞給引腳，減小引腳與焊料間的剪切力，降低焊點(diǎn)承受的應(yīng)力，提高抗疲勞能力。CMP高可靠精密貼裝電阻器受力示意圖如圖15～17所示。

圖15 CMP高可靠精密貼裝電阻器受力示意圖1

圖16 CMP高可靠精密貼裝電阻器受力示意圖2

圖17 CMP高可靠精密貼裝電阻器受力示意圖3

2．長(zhǎng)期處在高濕度和鹽霧等腐蝕性氣體環(huán)境中工作的電阻器，如果保護(hù)不當(dāng)，很容易產(chǎn)生電解反應(yīng)而失效。為解決這一問(wèn)題，我們?cè)陔娮杵髦圃旃に嚿贤耆捎秘灅?biāo)產(chǎn)品RJK的封裝工藝，采取三層樹(shù)脂防護(hù)和最外層環(huán)氧模塑料高溫高壓封裝，有效阻隔了腐蝕性氣體對(duì)電阻器的損傷。

3．為提高電阻器本體的耐振動(dòng)、沖擊等機(jī)械應(yīng)力承受能力，電阻器本體采用含量96%的氧化鋁圓柱形陶瓷基體，外層采用環(huán)氧模塑料封裝，可以耐受100G的加速度沖擊。同時(shí)，引腳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也可以將振動(dòng)、沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，而不會(huì)引起焊點(diǎn)疲勞失效。

4．CMP高可靠精密貼裝電阻器采用高真空鍍膜工藝，膜層經(jīng)高溫?zé)崽幚?，溫度系?shù)可達(dá)5ppm/k。通過(guò)穩(wěn)定化工藝處理，產(chǎn)品長(zhǎng)期穩(wěn)定性達(dá)在125℃下滿負(fù)荷工作1000小時(shí)，變化率∠±0.5%，符合國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB1929-1994。

（三）試驗(yàn)驗(yàn)證

CMP型高可靠精密貼裝電阻器研發(fā)的主要目的是解決現(xiàn)有貼片電阻焊點(diǎn)疲勞失效問(wèn)題，為驗(yàn)證CMP型高可靠精密貼裝電阻器設(shè)計(jì)的有效性，我們進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

據(jù)一些研究機(jī)構(gòu)提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，貼片電阻的熱疲勞失效在-40℃～125℃應(yīng)力條件下，在1500次循環(huán)后約有50%以上的焊點(diǎn)出現(xiàn)斷裂失效[1]，試驗(yàn)方法是PCB板分別在高、低溫箱中放置30分鐘，轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于3分鐘[5]。1500次循環(huán)大約需要66天連續(xù)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)換成工作日將需要近200天，試驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本高昂。而我們的試驗(yàn)?zāi)康氖潜容^CMP型高可靠精密貼裝電阻器與現(xiàn)有貼片電阻在裝配后的焊點(diǎn)抗疲勞失效能力，為了既真實(shí)反應(yīng)兩種產(chǎn)品焊點(diǎn)抗疲勞失效的效果，又縮短試驗(yàn)時(shí)間和降低試驗(yàn)費(fèi)用，我們?cè)O(shè)計(jì)了以振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力代替熱失配產(chǎn)生的應(yīng)力試驗(yàn)方案。

將5只CMP型高可靠精密貼裝電阻和現(xiàn)有8只貼片電阻平行焊接在一塊PCB板的同一直線上，再將PCB板安裝在振動(dòng)臺(tái)夾具上，安裝時(shí)將焊接有對(duì)比試驗(yàn)電阻的中點(diǎn)線對(duì)準(zhǔn)振動(dòng)夾具的邊緣，形成懸臂安裝，然后在PCB板懸空一側(cè)掛上一個(gè)100g砝碼。振動(dòng)試驗(yàn)條件是頻率10-2000Hz，加速度15G，時(shí)間2小時(shí)。試驗(yàn)板和試驗(yàn)設(shè)備如圖18所示。

圖18 試驗(yàn)板和試驗(yàn)設(shè)備

經(jīng)過(guò)2小時(shí)振動(dòng)試驗(yàn)后，在電子顯微鏡下對(duì)試驗(yàn)PCB板上的電阻焊點(diǎn)進(jìn)行觀察，5只CMP型高可靠精密貼裝電阻焊點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)任何裂紋缺陷，也就是沒(méi)有出現(xiàn)焊點(diǎn)疲勞失效。而8只現(xiàn)有貼片電阻焊點(diǎn)都出現(xiàn)了裂紋，全部出現(xiàn)了焊點(diǎn)疲勞失效。如圖19所示。

圖19 貼片電阻焊點(diǎn)

四、結(jié)論

（一）現(xiàn)有貼片電阻在惡劣環(huán)境下存在焊點(diǎn)疲勞失效隱患。

（二）通過(guò)對(duì)電阻器結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面的改善和設(shè)計(jì)，CMP型高可靠精密貼裝電阻器將焊點(diǎn)應(yīng)力通過(guò)L型引腳釋放，消除了焊點(diǎn)疲勞失效的潛在因素。

（三）試驗(yàn)結(jié)果證明了在同等應(yīng)力條件下，CMP型高可靠精密貼裝電阻器焊點(diǎn)耐疲勞失效能力遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有貼片電阻，能夠提高我國(guó)裝備可靠性水平。

五、幾點(diǎn)建議

（一）在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，盡可能減小PCB板的尺寸，尺寸越小，受到應(yīng)力后形變?cè)叫?，則元件焊點(diǎn)受到的應(yīng)力減??；

（二）在PCB板元件布局上要對(duì)PCB板進(jìn)行受力模擬分析，充分考慮元件的方向，盡可能將元件的長(zhǎng)度方向與應(yīng)力方向呈90度布局，遠(yuǎn)離PCB板固定位置的中間處受到應(yīng)力時(shí)形變最大，尤須注意；

（三）現(xiàn)有電阻器標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電阻器焊接方面的要求只體現(xiàn)在可焊性和耐焊接熱兩個(gè)項(xiàng)目中，而這兩項(xiàng)試驗(yàn)只考慮到了貼片電阻自身的性能，未能充分考慮其安裝后與整機(jī)的匹配問(wèn)題，往往是看似可靠性很高的貼片電阻，在裝備上卻經(jīng)常出現(xiàn)焊點(diǎn)失效。因此需要增加貼片電阻安裝在PCB板上后的焊點(diǎn)可靠性檢驗(yàn)。

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