孫曉君

（北京空間科技信息研究所 北京 100086）

對于電子產(chǎn)品可靠性的分析大體分為4個步驟：第一步為調(diào)研，主要針對電子產(chǎn)品可靠性問題的嚴重性、環(huán)境應(yīng)力及失效機理的影響，可靠性總體工作內(nèi)容等進行；第二步為試驗，主要是對電子產(chǎn)品進行壽命試驗及環(huán)境試驗，定量地得出電子元器件或整機的可靠性水平，同時制定出各種環(huán)境試驗方法的標準；第三步為可靠性物理研究階段，主要是對可靠性問題的本質(zhì) （故障或失效模式及其機理進行分析研究，并探討和提出各種加速度試驗的方法；第四步為可靠性保證，即在了解可靠性現(xiàn)象和本質(zhì)的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品的研制開始到使用的各個階段加強可靠性管理和保證、評價、認證及控制，建立可靠性數(shù)據(jù)收集、交換體系和數(shù)據(jù)中心。由此結(jié)合到一個具體的電子產(chǎn)品案例系統(tǒng)，可以相應(yīng)的將整個可靠性分析過程分為4個階段[1]：

1）對產(chǎn)品使用條件、試用期內(nèi)產(chǎn)生的失效現(xiàn)象及其影響的匯總和問題的初步分析；

2）根據(jù)失效現(xiàn)象審視設(shè)計，對可能存在的明顯問題進行改進，后采用試驗手段進一步實現(xiàn)失效定位，得到產(chǎn)品的高風(fēng)險環(huán)節(jié)及相應(yīng)的改進措施；

3）針對產(chǎn)品中存在的高風(fēng)險器件/部件的常見失效模式、失效機理、失效模型進行匯總，并采用模型預(yù)計的方式求出壽命，并分析是否合理；

4）將前期所有分析得到的高風(fēng)險環(huán)節(jié)、失效模式進行匯總，在制造過程中加以控制，并建立故障數(shù)據(jù)庫，以保障可靠性的管理和控制。

由此可見，高風(fēng)險環(huán)節(jié)的識別在整個產(chǎn)品的可靠性分析、評價過程中處于極為關(guān)鍵的地位，現(xiàn)階段人們一般采用FMEA等分析評估方法和手段，希望能準確的識別，以對某一高風(fēng)險環(huán)節(jié)有針對性的進行分析和改良，最終實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的提高。然而由于這些方法多是對失效模式和影響的分析，并沒有考慮產(chǎn)品在實際使用環(huán)境和應(yīng)力環(huán)境下可能的失效形式的出現(xiàn)概率[2]，同時失效的影響在不同產(chǎn)品中的描述亦有不同，這樣，對于積累的失效模式、失效機理等的經(jīng)驗和理論利用率并不高。如何解決和提高就成了當(dāng)務(wù)之急。

筆者將從產(chǎn)品涉及的使用條件、失效特征、測試標準、設(shè)計需求、所處環(huán)節(jié)、帶來的影響后果等因素的關(guān)系出發(fā)，得到“元器件-失效模式-失效機理-影響因素”這一分析路徑，并針對一個電子產(chǎn)品案例，通過簡要分析失效模式和失效機理，確定其高風(fēng)險環(huán)節(jié)，最后利用相關(guān)標準中的失效模型進行可靠性分析，完成利用這一關(guān)聯(lián)形式分析的全過程。

1 可靠性評估分析途徑

每個電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)都是元器件和連接件，產(chǎn)品的可靠性必然與這些元器件/連接件密切相關(guān)，一個薄弱的環(huán)節(jié)將可能導(dǎo)致整個產(chǎn)品的失效，故要保障整個產(chǎn)品的可靠性。必須對每個元器件，特別是高風(fēng)險關(guān)鍵元器件進行分析，保障它們的可靠性。一般來說，元器件的可靠性評價與多種因素相關(guān)，如：使用條件、失效特征、測試標準、設(shè)計需求、所處環(huán)節(jié)、帶來的影響后果等，這些因素之間存在的關(guān)系如圖1所示。

圖1 元器件各因素之間的聯(lián)系Fig.1 Relation between the factors of component

注：圖1中所示的關(guān)系簡述如下：

1）元器件-失效模式-根因：不同元器件可能的失效模式及造成的根本原因；

2）元器件-失效模式-失效機理-影響因素：不同元器件可能的失效模式、機理及其影響因素；

3）失效模式-試驗測試-工業(yè)標準：用于測試不同失效模式的試驗與標準；

4）失效機理-試驗測試-工業(yè)標準：用于測試不同失效機理的試驗與標準；

5）試驗測試-工業(yè)標準：不同類型試驗測試的目前已有的工業(yè)標準；

6）元器件-結(jié)構(gòu)與部位-設(shè)計準則：不同元器件在不同部位的相應(yīng)設(shè)計準則；

7）失效模式-后果：不同失效模式造成的后果。

對于一個電子產(chǎn)品進行可靠性評價，其關(guān)鍵在于確定產(chǎn)品的高風(fēng)險易失效環(huán)節(jié)。而每個元器件及連接件都有自身常見的失效模式與失效機理，并且隨著產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、加工、制造、使用環(huán)境的不同，失效形式也會隨之變化。所以，可以利用“元器件-失效模式-失效機理-影響因素”這樣一個關(guān)聯(lián)形式，首先，通過分析在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品各組成單元潛在的各種故障模式、故障機理及其對產(chǎn)品功能、性能和長期退化的影響，明確產(chǎn)品的高風(fēng)險環(huán)節(jié)有哪些；其次，判斷在產(chǎn)品實際使用條件下，各種失效機理被激發(fā)的可能性，即：對元器件的結(jié)構(gòu)、材料、工序和工藝等的失效模式、機理、影響、嚴重程度與發(fā)生的概率進行評估，以概率最高環(huán)節(jié)作為整個產(chǎn)品的最高風(fēng)險環(huán)節(jié)；最后配以試驗、標準或理論進行可靠性分析。接下來，本文將以一個分析案例驗證這一分析方法。

2 案例系統(tǒng)基本構(gòu)成

本案例分析的產(chǎn)品對象是一種用于高可靠性環(huán)境實時監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分為采集和接收兩部分，其主要工作方式為：采集部分實時對周圍環(huán)境的狀態(tài)進行監(jiān)控，并采用無線數(shù)字傳輸技術(shù)，將測量的溫度、濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到中心監(jiān)控主機（接收部分），并將歷史數(shù)據(jù)保存至主機[3]。

在本系統(tǒng)中，就整個信號傳輸過程而言，將系統(tǒng)分為以下主要的基本環(huán)節(jié)：電源、傳感器、運算放大器、具有無線傳輸功能的nRF芯片（采集、接受各一個）、PC電腦。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.2 Basic elements of system

案例中影響最終輸出結(jié)果的器件主要是：傳感器、運算放大器、無線芯片、焊點、PCB鍍通孔幾部分，器件類型極其功能如表1[3]所示。

表1 案例使用器件類型和功能Tab.1 Type and function

3 系統(tǒng)可靠性高風(fēng)險環(huán)節(jié)分析

以案例中的幾種器件類型的失效模式、失效機理及影響因素進行分析匯總[4-6]（形式如表2[10-11]所示），若使各器件發(fā)生失效的影響因素包括：電應(yīng)力（高電流密度、高電壓作用）、熱應(yīng)力（熱循環(huán)、高溫條件）、潮濕環(huán)境、機械應(yīng)力（振動、沖擊）等。

分析本研究產(chǎn)品的使用環(huán)境可知，該產(chǎn)品所處環(huán)境并不惡劣，一般正常使用放置條件下無振動、沖擊等強烈機械應(yīng)力作用；同時也不存在于高溫條件（處于商用溫度范圍-40～85℃）；且使用電源為普通5 V商用穩(wěn)壓電源[3]，電路無明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中的設(shè)計，故不易出現(xiàn)高電流密度和高電壓的現(xiàn)象，由此可以認為由電應(yīng)力、高溫條件、機械應(yīng)力激發(fā)的失效機理不會是產(chǎn)品失效的主要原因。而由圖3可知，潮濕環(huán)境帶來的失效對器件影響較小，且產(chǎn)品工作于一般實驗室環(huán)境，潮濕也不會是失效的主要原因[7]。

表2 器件的失效模式、失效機理及影響因素示例表Tab.2 Failure mode，failure mechanism and influencing factor

圖3 環(huán)境應(yīng)力對器件失效的影響Fig.3 Failure ratio under different environmental stress

對于剩余的溫度循環(huán)應(yīng)力條件，對器件、鍍通孔、焊點均有影響。然而有研究表明，在溫度循環(huán)應(yīng)力條件下，焊點的失效率要高于器件的失效率（如圖4所示）[8-9]；同時，對于焊點和鍍通孔兩種連接件而言，鍍通孔的制造過程是專業(yè)化的機器流水線生產(chǎn)，加工一致性較好，而焊點則存在手動加工的問題，不同操作者的焊接水平參差不齊，會帶來較大分散性，故焊點相對鍍通孔而言更易于失效。

綜上所示，本案例的高風(fēng)險易失效環(huán)節(jié)是焊點，即：整個產(chǎn)品的可靠性取決于焊點的可靠性。接下來將利用焊點的失效物理模型對案例產(chǎn)品的可靠性進行分析。

圖4 溫度循環(huán)應(yīng)力條件下焊點、器件失效率曲線Fig.4 Failure probabilities for electronic component and surface mount solder attachment

4 可靠性分析

4.1 高風(fēng)險環(huán)節(jié)相關(guān)模型

IPC的焊點壽命評價模型包括了疲勞壽命模型、失效分布模型和損傷累計模型3類。其中疲勞壽命模型是整個壽命評價體系的基礎(chǔ)。在標準IPC-SM-785[8]和IPC-D-279[9]中，采用了最廣泛使用的 Engelmaier-Wild焊點疲勞壽命模型，為了完整度量應(yīng)力松弛過程，冪指數(shù)定義為溫度和時間的函數(shù)，表述的疲勞損傷與平均壽命之間的關(guān)系如下：

其中：考慮到存在周期性粘塑性變形能，用周期疲勞損傷因子來描述，該參數(shù)取決于焊料在時間、溫度、應(yīng)力共同作用下，發(fā)生蠕變/應(yīng)力松弛時帶來的潛在損傷大小。疲勞延展系數(shù)在共晶合金和60/40的SnPb焊料中一般取0.325。

疲勞延展指數(shù)c是與溫度、時間相關(guān)的參數(shù)，對它的修正考慮了熱循環(huán)加載頻率與加載溫度的效應(yīng)，以及彈塑性應(yīng)變的影響。當(dāng)應(yīng)力釋放不完全時：

其中：TSJ是焊點所受循環(huán)溫度；tD是半周期循環(huán)持續(xù)時間（單位：分鐘）。與循環(huán)的形式和頻率相關(guān)，并最終代表了所能承受的應(yīng)力松弛和蠕變時間。。

對于無引腳SM元器件焊點在一定的應(yīng)力作用下，當(dāng)應(yīng)力強度超過焊料屈服強度并導(dǎo)致焊料塑性屈服時，循環(huán)疲勞損傷參數(shù)為：

對于有引腳元器件焊點，在熱疲勞應(yīng)變時所受應(yīng)力會低于屈服應(yīng)力水平，循環(huán)疲勞損傷參數(shù)為：

4.2 產(chǎn)品使用環(huán)境下的焊點可靠性評價

案例中的產(chǎn)品設(shè)計壽命為10年，考慮室外使用環(huán)境，器件-外部溫度循環(huán)范圍：ΔT=40 ℃，一天為一個循環(huán)[3，13]。

1）元器件（選擇產(chǎn)品中最小的焊點進行計算）

①無引腳器件：36個I/O引腳QFP芯片，間距1.27 mm，耗散功率0.06 W。高、低溫環(huán)境中，元器件的穩(wěn)態(tài)工作溫度分別是60℃和10℃。

②有引腳器件：間距2.54 mm插接件，耗散功率0.23 W。高、低溫環(huán)境中，元器件的穩(wěn)態(tài)工作溫度分別是70℃和10℃。

2）基板：普通FR4環(huán)氧樹脂印刷電路板

①當(dāng)焊接無引腳器件時，高、低溫環(huán)境中基板的穩(wěn)態(tài)工作溫度分別是55℃和10℃。

②當(dāng)焊接有引腳器件時，高、低溫環(huán)境中基板的穩(wěn)態(tài)工作溫度分別是65℃和10℃；

根據(jù)壽命Nf計算公式對器件進行可靠性評價 （無引腳、有引腳前后用//分開）。

由此可見，當(dāng)使用有引腳器件時，其壽命是無引腳壽命的近兩倍，也就是說，當(dāng)焊點是產(chǎn)品高風(fēng)險環(huán)節(jié)時，在設(shè)計空間的允許范圍內(nèi)，建議采用有引腳器件保證焊點可靠性，從而保證整個產(chǎn)品的可靠性。

5 結(jié)束語

產(chǎn)品涉及的使用條件、失效特征、測試標準、設(shè)計需求、所處環(huán)節(jié)、帶來的影響后果等因素之間具有密切的聯(lián)系，這些關(guān)系可以構(gòu)成多種可靠性分析路徑。為了充分繼承積累的失效模式和失效機理的經(jīng)驗，也更多的在分析過程中考慮實際使用環(huán)境和應(yīng)力載荷的影響，確保可靠性分析的準確性，“元器件-失效模式-失效機理-影響因素”這一分析路徑則比僅考慮失效模式的影響要更為準確。

由文中利用一個電子產(chǎn)品案例，開展的初步的完整分析過程，可以看出，對常見潛在失效模式、失效機理及可能的誘發(fā)環(huán)境因素進行調(diào)研匯總，并參照研究產(chǎn)品設(shè)計時定義的工作環(huán)境，逐個排查，確定產(chǎn)品失效的主要原因和高風(fēng)險環(huán)節(jié)，利用失效物理模型，計算了在使用環(huán)境下的可靠性相關(guān)因素，可以有力的推動產(chǎn)品的可靠性設(shè)計和評價。

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