阮春郎

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引言

某階段在生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)某品牌電源模塊由于散熱器和鋁基板之間存在共面度差異，導(dǎo)致散熱器螺釘鎖緊后會使模塊插針焊盤受到較大的應(yīng)力作用，可能導(dǎo)致焊盤發(fā)生斷裂。后實施多種改進(jìn)措施，焊點的機械強度得到加強并降低了安裝應(yīng)力，解決了后期的生產(chǎn)和使用問題，但現(xiàn)場已存在數(shù)以萬計的已運行單板，迫切地需要評估，方能確定后期的處理措施，比如是否要進(jìn)行召回或整改，若風(fēng)險足夠低，則可考慮繼續(xù)留在工程上使用。本文從研究相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)入手，通過合理的假設(shè)和推斷，總結(jié)出一種較為實用和便捷的評估方法，達(dá)到了預(yù)期的評估目標(biāo)。

1 背景介紹

由于電源模塊散熱器和模塊的鋁基板之間存在著共面性差異（見圖1），當(dāng)散熱器螺釘鎖緊后就會使引腳承受較大的機械應(yīng)力，嚴(yán)重情況下甚至可能會導(dǎo)致引腳焊盤開裂（見圖2）。評估焊點可靠性的文獻(xiàn)有很多，但針對通信產(chǎn)品這種特定使用場景的評估實踐則很少，且時間緊迫，無法像做理論研究般耗費大量的試驗資源和時間進(jìn)行評估，需要考慮的是應(yīng)如何設(shè)計一種較簡便、實用的工程評估手段和驗證方案。

2 試驗方案的確定

2.1 試驗應(yīng)力類型的比較與選擇

評估焊點可靠性最常用的兩種方法是溫度循環(huán)和隨機振動應(yīng)力。其中溫度循環(huán)考察的是焊點的蠕變及疲勞衰退，主要模擬通常運行條件下的溫度變化，例如每日、每月到每年的自然溫度循環(huán)，這種應(yīng)力對焊點會產(chǎn)生周而復(fù)始的熱脹冷縮作用，促使焊點退化、強度不斷降低，直至失效。溫度循環(huán)的“應(yīng)力強度時間密度”較低，通常我們把溫變速率不超過15℃/min的溫變試驗稱為溫度循環(huán)，超過此溫變速率的稱之為溫度沖擊。因此該試驗更多的是依賴長時間的累積效應(yīng)來考驗試驗對象的可靠性。溫度沖擊模擬的是一種快速的溫度變化，這種應(yīng)用條件對于使用在通信機房中的通信設(shè)備極少遇到，應(yīng)力原理表現(xiàn)的是一種劇烈的熱脹冷縮，模擬的是像回流焊、干燥、返修（可能會使用熱風(fēng)槍或返修臺）等。而隨機振動更多的是用于體現(xiàn)外界環(huán)境向設(shè)備及設(shè)備中的元器件（包含PCB互連結(jié)構(gòu)或接插件之間的互連）傳遞的機械應(yīng)力，而隨機振動由于具有頻譜范圍很寬的特點，能在一次試驗中兼顧到不同部位的諧振情況，模擬設(shè)備在運輸及現(xiàn)場工作條件下的各種振動應(yīng)力對焊點造成的影響，也被廣泛應(yīng)用于可靠性評估和ESS。隨機振動的應(yīng)力作用具有時間累積效應(yīng)。

與隨機振動相比，溫度循環(huán)試驗周期要長得多，需要占用相當(dāng)多的試驗資源，但其對考察溫度導(dǎo)致焊點疲勞失效是最真實、有效的評估手段；隨機振動具有應(yīng)力大小易調(diào)整，試驗時間較短且可控，占用的試驗資源相對也較少的優(yōu)點，其對焊點的評估側(cè)重于機械應(yīng)力方面。如表1所示。

表1 環(huán)境應(yīng)力篩選發(fā)現(xiàn)的典型缺陷 [4]

從表1來看，振動應(yīng)力能較好地暴露焊點類可靠性缺陷問題。從前期模塊的焊點失效情況來分析，這種失效主要還是因為模塊插針焊點受到外界機械應(yīng)力（散熱器與鋁基板的共面性差異所產(chǎn)生）的作用，因此主要的失效原因是機械應(yīng)力，但其中可能也包含了一定量的溫度循環(huán)作用因素。綜合評估，認(rèn)為機械應(yīng)力仍為促使焊點失效的主要應(yīng)力類型，并考慮到評估要求緊迫，最終決定選擇隨機振動作為評估手段。

2.2 試驗應(yīng)力及監(jiān)控方法的選擇

確定應(yīng)力類型后需要進(jìn)一步確定試驗應(yīng)力的大小。在通常條件下，ESS的隨機振動加速率譜密度較多地選擇0.04g2/Hz，但我們這個試驗并非用于篩選，而是要做現(xiàn)場風(fēng)險評估?，F(xiàn)場的單板發(fā)貨前并未做過這樣的應(yīng)力篩選，我們也無法再取回這些單板重新做篩選試驗來驗證這些單板是否能通過這個篩選試驗；我們只能是基于少量的現(xiàn)有單板進(jìn)行評估試驗，進(jìn)而推斷其它單板的情況。但到底選擇多大的應(yīng)力進(jìn)行試驗？現(xiàn)場的振動應(yīng)力條件又是如何？如何將兩者聯(lián)系起來？這都是必須要解決的問題。

以下是收集到的、關(guān)于通信產(chǎn)品實際使用時的隨機振動要求：

a）通訊產(chǎn)品可靠性需求技術(shù)指標(biāo)

隨機振動： 0.04m2/s3； 5～10Hz， +12dB； 10～50Hz； 50～100Hz， -12dB。

b）DELL R900服務(wù)器

存儲最大振動：1.54Grms-6面（15mins/面）。

c）思科12000系列路由器

工作： 0.35Grms， 3～500Hz；

非工作： 1.0Grms， 3～500Hz。

d）小型機的機房環(huán)境資料

運行振動： 5～350Hz時 0.26Grms持續(xù) 2min；

存放振動： 10～250Hz時 1.54Grms隨機振動，持續(xù)15min。

可以看出，上述要求都是一種通過性試驗應(yīng)力要求，應(yīng)力很小，持續(xù)時間也很短。這類試驗只能說明該產(chǎn)品能經(jīng)受這樣一種特定的環(huán)境應(yīng)力并持續(xù)一段特定的時間而不發(fā)生故障，到底能代表多久的現(xiàn)場運行時間尚不得而知。

從表2和表3可以大致發(fā)現(xiàn)機房使用的通信設(shè)備（民用）與軍品使用環(huán)境的振動條件存在很大的差別。若參考表3中的數(shù)據(jù)，軍用與民用在振動均方根加速度Grms量值上相差了約4倍（121/32=3.78），以加速度譜密度來計，則軍用與民用環(huán)境相差接近 14倍（3.782=14.29）， 差距非常明顯。

根據(jù)MIL-STD-810F，累積獨立的疲勞損傷和加速度試驗量級之間的關(guān)系可表示為：

表2 產(chǎn)品環(huán)境類型分布 [5]

表3 HALT極限與產(chǎn)品應(yīng)用 [5]

式（1）中：w——隨機振動的加速度譜密度；

g——正弦振動量級；

T——試驗時間。

但公式中的指數(shù)（1/4）是適用于航空電子裝備、導(dǎo)彈產(chǎn)品，針對不同的設(shè)備，其指數(shù)會有差別，標(biāo)準(zhǔn)中說明是因為 “根據(jù)需要的保守程度和材料特性得出”， “指數(shù)部分是材料常量，log/log疲勞斜度或S/N曲線”。從加速公式不難看出，自然是實際的使用環(huán)境條件越惡劣，與加速應(yīng)力條件的差異越小，則指數(shù)越大，相當(dāng)于加速程度越小，這點也可以從標(biāo)準(zhǔn)的某些描述中看出端倪，比如提到“導(dǎo)彈程序使用的指數(shù)值為1/3.25到 1/6.6之間，航天程序有時使用1/2”，而通常我們認(rèn)為宇航級的要求是最嚴(yán)酷的，因而可以得出這樣的結(jié)論，實際的使用環(huán)境愈惡劣，公式（1）中的指數(shù)部取值就越大（如 1/2就大于 1/3.25）。

從以上分析我們可以推斷，對于這類機房地面固定使用的通信設(shè)備一般僅存在微振動場景，指數(shù)部分肯定要遠(yuǎn)小于1/4，那到底取多少合適？

Greeg.K Hobbs在其 《高加速應(yīng)力篩選》論文中指出：隨機振動輸入功率譜密度增加1倍，即總的振動量值（加速度均方根值）增加到1.414倍，將使產(chǎn)品所受的應(yīng)力翻一番，所需的振動篩選時間減少到原來的0.001。因此同樣可借助公式（1）來求公式（1）等式右邊的指數(shù)x：

將w0/w1=1/2、T1/T0=0.001代入（2）式，計算得到x=0.1即1/10，符合之前我們的推測。實際上這里的試驗數(shù)據(jù)主要還是指軍用環(huán)境，若對于民用環(huán)境，則該指數(shù)應(yīng)該更小，比如1/15甚至更小。

利用功率譜密度與加速度總均方根值之間的計算公式（隨機振動譜圖見圖3，這里不贅述計算過程，注意譜圖中的最高頻率與一般的隨機篩選譜圖不同，一般為2kHz，這里為5kHz）， 當(dāng)w=0.04g2/Hz時，Grms=7.034g；當(dāng)w=0.07g2/Hz時，Grms=9.306g； 當(dāng) w=0.08g2/Hz時， Grms=9.949g。上述3種試驗應(yīng)力都已經(jīng)超過了表4中的最大加速度均方根值要求，應(yīng)該說這個應(yīng)力是比較大的。

根據(jù)GJBZ 34-93篩選度和故障（失效）率λD（隨機振動篩選）關(guān)系的表格（表4）中可以看出，當(dāng)加速度均方根值達(dá)到7.0g，持續(xù)時間為60min，篩選度達(dá)到1，即100%檢出，前提條件是假設(shè)所有的故障都能檢出，這就又要依賴于試驗過程對缺陷的監(jiān)控。

再結(jié)合公式（1），指數(shù)分別取1/8和1/20，我們與正常的0.04g2/Hz的應(yīng)力進(jìn)行比較，可以得到當(dāng)隨機譜的加速度譜密度達(dá)到0.07g2/Hz時，試驗時間加速倍率為269.4（指數(shù)取10），或試驗時間加速倍率為4421.5（指數(shù)取15）。由此可見，若按照上述試驗應(yīng)力進(jìn)行試驗，實際施加的應(yīng)力條件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般的篩選應(yīng)力；另外再從累積的效果看，一般典型的篩選條件是應(yīng)力維持10min，而我們計劃維持60min，累積效果擴大了6倍，則前面的計算數(shù)據(jù)分別擴大到1616.4倍和26529倍，這個量級可以說相當(dāng)可觀。因此，若通常使用0.04g2/Hz@10min的篩選應(yīng)力即可確保產(chǎn)品的可靠性，那使用放大了至少1600多倍的試驗應(yīng)力而不發(fā)生故障，盡管暫時無法得知該焊點確切能正常工作多少時間，但是否可以確定該焊點出現(xiàn)問題的風(fēng)險很低呢？我們認(rèn)為答案是肯定的。

關(guān)于缺陷的檢出問題，對于此次電源模塊的焊點，由于其故障模式是焊點的接觸電阻變大甚至開路，所以可以用毫歐表對試驗中的單板進(jìn)行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)焊點阻值明顯變大，就可以認(rèn)為焊點發(fā)生失效。我們接觸與焊點相連的其它器件焊盤，從焊盤引出兩根線，通過測試這兩根線之間的電阻來監(jiān)控焊點的阻值，這時毫歐表測到的阻值包含了兩根測試導(dǎo)線的電阻、插針焊點的阻值和模塊上一小段布線的電阻（基本可忽略不計），因此主要就是導(dǎo)線電阻和焊點電阻。在正常情況下，焊點電阻應(yīng)該是毫歐級，此時測得的電阻主要就是線電阻，而線電阻的阻值是試驗前可以測量確定下來的，試驗過程中只要監(jiān)控阻值的變化情況即可。

表4 篩選度和故障（失效）率λD

3.3 試驗方案

最終確定下來的試驗方案如下：

1）試驗樣品：4塊舊工藝生產(chǎn)的單板，經(jīng)測試尚未發(fā)生故障；

2）試驗應(yīng)力：3個等級的試驗應(yīng)力，分別為0.04g2/Hz， 0.06g2/Hz， 0.07g2/Hz；

3）隨機振動譜圖見圖3；

4）試驗時間：振動試驗過程實時監(jiān)控電阻變化情況，并在試驗的第10分鐘、30分鐘、60分鐘點暫停試驗測試（實際振動過程發(fā)現(xiàn)毫歐表受到電磁振動臺的干擾很大，不能準(zhǔn)確地讀出數(shù)值，振動暫停后讀數(shù)回復(fù)正常），每塊單板累積60min后停止試驗；

5）驗證分析：對振動后的樣品進(jìn)行切片分析，確認(rèn)焊點的情況。

3 試驗的實施及結(jié)果

試驗過程總體較為順利。在試驗過程及結(jié)束之后對焊點進(jìn)行的跟蹤測試中，發(fā)現(xiàn)焊點的阻值幾乎沒有變化，說明焊點連接良好，而之前失效的焊點處電阻都有不同程度的變化，從數(shù)十歐姆到無窮大（開路）。如表5所示。

表5 4塊單板的試驗前后焊點電阻（含線電阻）變化情況

我們對試驗后的模塊進(jìn)行切片分析，驗證焊點情況。切片結(jié)果也一切正常，未發(fā)現(xiàn)任何開裂跡象或類似開裂的趨勢（見圖6～8）。

5 結(jié)束語

事實上，存在問題的單板會較早地在生產(chǎn)階段就暴露出問題，現(xiàn)場未反饋類似的失效信息。若經(jīng)過一系列的生產(chǎn)工藝過程（包括生產(chǎn)環(huán)境的振動、高溫老化等）后單板仍正常，則焊點強度是有一定保證的，未來再出現(xiàn)失效的風(fēng)險概率很低。最后根據(jù)上述試驗結(jié)果和最終的切片結(jié)果，我們還是有依據(jù)可以認(rèn)為即使這個焊點已存在某些缺陷，但考慮到現(xiàn)場的實際使用環(huán)境條件，通常不會再經(jīng)歷太大的機械應(yīng)力作用，其可靠性相對還是有保證的，更不會出現(xiàn)集中的、批量返還情況。此次試驗基本達(dá)到了產(chǎn)品線所需要的結(jié)果，產(chǎn)品線最終決定不采取召回，繼續(xù)觀察現(xiàn)場的使用情況。

當(dāng)然這個試驗還存在不足之處，首先是機械振動不能替代溫度循環(huán)，但根據(jù)前面的分析，該失效模式使用隨機振動是具有代表性的，可以體現(xiàn)焊點的某種強度特性，特別是需要短時間內(nèi)解決工程應(yīng)用上的某些評估問題，效果還是不錯的。另外在進(jìn)行加速應(yīng)力換算過程時，不能確定真實的指數(shù)因子，這還需要后續(xù)繼續(xù)研究。

[1]MIL-STD-810F-1991,環(huán)境工程考慮和實驗室試驗 [S].

[2]MIL-STD-2164-1985，Military standard environmental stress screening process for electronic equipment[S].

[3]GJBZ 34-1993，電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南 [S].

[4]祝耀昌.高效強應(yīng)力篩選方法（ESS） [J].環(huán)境條件與試驗， 1988，（2-3）： 40-43； 41-43.

[5]祝耀昌，王建剛.國外典型電子產(chǎn)品HAL和HASS結(jié)果簡介 [J].軍用標(biāo)準(zhǔn)化，2003，（3）：55-59.