鐘鵬

（航空工業(yè)直升機設計研究所，天津，300000）

0 引言

直升機機載電子設備作為整機的核心功能組成部分，對于能否發(fā)揮出現(xiàn)代武器裝備戰(zhàn)斗力至關重要。隨著科技的不斷進步，直升機機載電子設備的技術性能及可靠性得到提升，逐漸向微型化、集成化和模塊化方向發(fā)展[1]。直升機機載電子設備主要由若干個PCB（印制電路板，簡稱PCB）組裝件構(gòu)成，而PCB組件是指電子元器件通過典型裝聯(lián)工藝在PCB上實現(xiàn)電氣互聯(lián)互通，最后經(jīng)調(diào)試合格的產(chǎn)品[2]。

近年來，相關學者圍繞提高電子元器件的使用可靠性開展了大量的研究。但是，大多數(shù)研究主要針對如何提高電子元器件本身可靠性，卻對電子元器件裝聯(lián)可靠性研究相對較少。直升機機載電子設備長期工作在溫度交變、強烈振動和復雜的電磁兼容環(huán)境中，導致電子元器件電氣聯(lián)接失效故障頻繁發(fā)生，嚴重影響機載電子設備的工作效率。因此，在設計與研究直升機機載電子設備可靠性時，不僅需要關注電子元器件本身可靠性是否達到裝備使用需求，還應重點關注電子元器件與印制版電路的裝聯(lián)可靠性是否滿足裝備使用需求。

綜上，有必要開展直升機裝備電子元器件的裝聯(lián)可靠性試驗，分析研究直升機裝備電子元器件的裝聯(lián)可靠性，并結(jié)合直升機裝備的工作環(huán)境與特點，探討如何提高直升機使用電子元器件的裝聯(lián)可靠性，以期為提高直升機機載電子設備可靠性提供有價值的參考。

1 電子元器件裝聯(lián)可靠性簡介

電子元器件的裝聯(lián)可靠性，也稱電子元器件與PCB裝聯(lián)結(jié)構(gòu)中焊點的可靠性，是指電子元器件通過典型裝聯(lián)工藝與PCB形成的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)耐受環(huán)境應力能力，具體分為耐溫度循環(huán)應力可靠性與耐機械振動應力可靠性，一般可通過裝聯(lián)可靠性試驗或者FΜEA法 (失效模式與影響分析法，簡稱FΜEA法) 分析獲得某型電子元器件的裝聯(lián)可靠性[3]。

本文主要介紹利用裝聯(lián)可靠性試驗研究直升機使用電子元器件的裝聯(lián)可靠性，具體工作流程包括裝聯(lián)前準備、元器件裝聯(lián)、裝聯(lián)后檢查、耐環(huán)境應力可靠性評價試驗、試驗后檢查及裝聯(lián)可靠性評價結(jié)論確定，如圖1所示。

圖1 電子元器件裝聯(lián)可靠性分析

由圖1可見，在開展裝聯(lián)可靠性試驗前，需要進行裝聯(lián)前準備，并通過典型裝聯(lián)工藝完成電子元器件與PCB的裝聯(lián)。在完成裝聯(lián)后，需要首先分析電子元器件與PCB的裝聯(lián)工藝適應性。其中，裝聯(lián)工藝適應性是指元器件對典型裝聯(lián)工藝的適應能力，一般通過對元器件預處理、回流焊接和焊接后質(zhì)量檢查等方式進行分析評價。若電子元器件與PCB形成良好的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)，說明該電子元器件的裝聯(lián)工藝適應性良好，則可進一步對焊接完成的板卡組件開展機械振動、溫度循環(huán)試驗，并對試驗后的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)進行外觀檢查，最后通過分析可獲得該電子元器件的裝聯(lián)可靠性。

2 電子元器件裝聯(lián)可靠性典型案例分析

BGA和QFP電子元器件由于可靠性高，電氣聯(lián)接性能較好，因此得到廣泛使用。本節(jié)結(jié)合具體型號產(chǎn)品對電子元器件的裝聯(lián)可靠性進行分析研究，以廠家1自主研制的BGA封裝SΜQ2V1000-4型現(xiàn)場可編程門陣列和廠家2自主研制的QFP封裝SΜ1270型復雜可編程邏輯器件為例，各取試驗樣品2只，編號分別為YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2，試驗樣品的詳細信息見表1。

表1 樣品詳細信息

在完成焊盤設計后，經(jīng)過回流焊接等典型裝聯(lián)工藝分別完成YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2與PCB的裝聯(lián)，形成裝聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 元器件板級裝聯(lián)結(jié)構(gòu)

2.1 裝聯(lián)工藝適應性分析

為研究BGA和QFP電子元器件的裝聯(lián)工藝適應性，在試驗前分別對YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)進行X-ray檢查，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，YP1-1~YP1-2的焊點的空洞面積小于25 %，未見橋連、球窩等缺陷，焊點形貌良好；YP2-1~YP2-2的焊點未見橋連、虛焊等缺陷，焊點形貌良好。表明BGA和QFP電子元器件的裝聯(lián)工藝適應性良好，通過回流焊接等成熟裝聯(lián)工藝可以與PCB形成良好的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖3 試驗前裝聯(lián)結(jié)構(gòu)X—ray檢查結(jié)果

2.2 裝聯(lián)可靠性分析

2.2.1 耐溫度循環(huán)應力可靠性分析

為研究BGA和QFP電子元器件與PCB裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的耐溫度循環(huán)應力可靠性，依據(jù)QJ3086A-2016《表面和混合安裝印刷電路板組裝的高可靠性焊接》，結(jié)合直升機使用電子元器件的工作溫度環(huán)境特點，設置溫度循環(huán)試驗條件為溫度范圍-50℃~100℃，高/低溫各滯留15min，溫變速率10℃·min-1，每次循環(huán)60min，循環(huán)次數(shù)200，分別開展YP1-1和YP2-1裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的溫度循環(huán)應力試驗，將試驗后的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)進行金相分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度循壞應力試驗后元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)金相分析代表性圖片

由圖4可見，YP1-1和YP2-1的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)過溫度循環(huán)應力試驗后，焊點均發(fā)生了明顯開裂，最大開裂長度分別為643.70μm和570.27μm，裂紋長度分別占焊接面長度的71.53% 和33.19%，均不滿足QJ3086A-2016中焊點的表面和內(nèi)部裂紋不應超過整個焊料填充區(qū)域的25%要求，因此YP1-1和YP2-1裝聯(lián)結(jié)構(gòu)未通過該條件的溫度循環(huán)試驗考核。以上結(jié)果說明BGA和QFP電子元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)耐溫度循環(huán)應力可靠性不高，如果在惡劣環(huán)境下使用，元器件的電氣聯(lián)接容易發(fā)生失效。直升機的工作環(huán)境比較復雜，需要適應高溫炎熱、低溫嚴寒以及陰雨潮濕等環(huán)境，因此對電子元器件的耐溫度循環(huán)應力可靠性要求較高，直升機機載電子設備如需使用BGA和QFP電子元器件，建議采取點膠加固，提高元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的耐溫度循環(huán)應力可靠性。

2.2.2 耐機械振動應力可靠性分析

為分析BGA和QFP電子元器件與PCB裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的耐機械振動應力可靠性，依據(jù)GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》中的方法2026.1，結(jié)合直升機使用電子元器件的振動環(huán)境特點，設置試驗條件為功率譜密度0.2g2·Hz-1，振動加速度均方根值169.1m·s-2，振動時間15min/軸，振動方向為X/Y/Z軸，分別開展YP1-2和YP2-2裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的機械振動應力試驗，將試驗后的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)進行金相分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，YP1-2和YP2-2的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)經(jīng)過機械振動應力試驗后，焊點均未發(fā)生明顯開裂，滿足QJ3086A-2016要求，元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)通過該條件的機械振動應力試驗考核，表明BGA和QFP電子元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)耐機械振動應力可靠性較高。但是，相比其它航空裝備，直升機的振動環(huán)境更加復雜，整機振動表現(xiàn)為更加劇烈。因此直升機對電子元器件的耐機械振動應力可靠性要求更高。為進一步滿足直升機機載電子設備的使用需求，建議采取如合理優(yōu)化元器件在PCB布局，避免產(chǎn)生共振或者在電箱上直接設置減振裝置等。

圖5 機械振動應力試驗后元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)金相分析代表性圖片

3 結(jié)論

(1)BGA和QFP電子器件裝聯(lián)工藝適應性良好，通過回流焊接等成熟裝聯(lián)工藝可以形成良好的裝聯(lián)結(jié)構(gòu)。但是，在儲存、運輸以及使用等環(huán)節(jié)，還需要注意合適的包裝，防止碰撞、擠壓、污染以及腐蝕等破壞器件引腳共面性以及可焊性，避免形成裝聯(lián)結(jié)構(gòu)缺陷。

(2)通過回流焊接等典型裝聯(lián)工藝，分別形成BGA和QFP電子元器件與PCB的板級裝聯(lián)結(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷試驗條件為溫度范圍-50℃~100℃，高/低溫各滯留15min，溫變速率10℃·min-1，每次循環(huán)60min，循環(huán)次數(shù)200的溫度循環(huán)應力試驗后，裝聯(lián)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯開裂，表明該裝聯(lián)結(jié)構(gòu)的耐溫度循環(huán)應力可靠性不高，若在相對惡劣的環(huán)境下使用時，元器件容易發(fā)生電氣聯(lián)接失效故障。直升機長期工作在溫度交變的環(huán)境之中，需要適應高溫炎熱、低溫嚴寒、陰雨潮濕以及海洋鹽霧等環(huán)境，對電子元器件的耐溫度循環(huán)應力可靠性要求較高，若確需使用BGA和QFP電子元器件時，建議采取點膠加固或者優(yōu)化焊接工藝方法，提高電子元器件裝聯(lián)結(jié)構(gòu)耐溫度循環(huán)應力可靠性。

(3)通過回流焊接等典型裝聯(lián)工藝，分別形成BGA和QFP電子元器件與PCB的板級裝聯(lián)結(jié)構(gòu)，可耐受振動試驗條件為功率譜密度0.2g2?Hz-1，振動加速度均方根值169.1m?s-2，振動時間15min/軸，振動方向為X/Y/Z軸，表明它們的耐機械振動應力可靠性較高。但是，相比于其它航空裝備，直升機的振動環(huán)境更加復雜，整機振動更加劇烈。因此直升機對電子元器件的耐機械振動應力可靠性要求較高。為進一步保證電子元器件耐機械振動應力可靠性滿足直升機的使用需求，建議采取如合理優(yōu)化元器件在PCB布局，避免產(chǎn)生共振或者在電箱上直接設置減振裝置等。

4 應用前景

基于論文研究結(jié)論，結(jié)合后續(xù)型號開展電子元器件的選型管理工作，總結(jié)得出幾點應用前景可供參考，主要如下：

(1)在型號研制過程中，總師單位開展電子元器件選型指導與選用控制時，應關注元器件裝聯(lián)可靠性。在進行型號使用電子元器件清單優(yōu)選審查時，不僅要審查元器件的質(zhì)量等級、技術性能指標等是否符合要求，還需審查電子元器件封裝選用是否合理，裝聯(lián)可靠性是否滿足裝備使用需求。

(2)在型號研制過程中，機載電子設備承制單位在確定使用BGA和QFP電子元器件時，需要制定提高電子元器件與PCB裝聯(lián)可靠性措施，防止由溫度循環(huán)應力導致的元器件電氣聯(lián)接失效故障問題發(fā)生。建議承制單位在元器件裝聯(lián)時采取點膠加固措施，或者通過表面搪錫處理、合理選擇焊接材料、控制焊接時間等方法優(yōu)化焊接工藝，從而提高電子元器件裝聯(lián)可靠性，進而確保能夠滿足直升機裝備在不同作戰(zhàn)環(huán)境下的使用需求。