航空電子產品焊接工藝驗證方法研究

劉丙金

摘? ?要：針對航空電子產品，闡述了一種相對完善的工藝驗證方法，為航空電子產品制造商進行焊接工藝驗證提供了指導。電子產品的類型多種多樣，文章主要針對航空電子產品的特點，對其焊接工藝的驗證方法進行探索和研究。

關鍵詞：焊接;工藝驗證;可靠性

隨著電子元器件的小型化和高集成度的發展，電子組裝技術也經歷了幾個發展階段：從20世紀五六十年代的手工焊接到20世紀70年代的全自動波峰焊接，再到20世紀80年代出現的表面貼裝再流焊接，表面貼裝再流焊接是電子組裝技術的發展方向，目前已成為電子組裝技術的主流。

航空電子產品上使用的元器件封裝形式越來越多，比如DIP，PGA，CHIP，SOP，QFP，PLCC，LGA，BGA，CCGA等，引腳間距也逐步向窄間距技術發展，元器件的封裝材料也涉及塑封、陶瓷、玻璃體等多形式，這種元器件多元化發展勢必引起焊接工藝技術的進步，同時，也對航空電子產品的高可靠性要求提出了挑戰，因此，對于焊接工藝的驗證方法也提出了要求。

1? ? 焊接工藝驗證方法介紹

由于元器件的測試不能完全反映部件級產品的實際載荷，在板級測試過程中，隨著無金屬線鍵合芯片互連技術以及高引線數量BGA封裝使用的日益增多，可能會增加板級測試中“不可預料”的內部元器件失效。

為了確保航空電子產品電路組件的焊接連接達到在具體使用環境中的可靠性預期值，即使采用了適當的可靠性設計方法，通常還有必要確認其在一些具體應用中的可靠性。因為焊料的蠕變和應力松弛特性與時間有關，所以在加速測試中的疲勞破壞和疲勞壽命通常與實際情況有所不同，但通過采用適當的加速因子，即可從加速測試結果中估算出產品的可靠性[1]。

目前焊點失效的主要失效模式是溫度循環或振動導致的疲勞失效，所以焊接工藝驗證常常使用溫度循環或振動作為加速應力，下面將重點介紹溫度循環的試驗方法，并介紹驗證方法中對試驗樣件的要求、溫度條件的選擇、判定標準等方面的經驗。

1.1? 試驗樣件要求

驗證樣件數量主要結合驗證目的及樣件經濟性來考慮，如果要對焊接新工藝進行確認，比如航空電子產品中的特殊過程確認，每一種元器件數量應不少于3個;如果驗證目的還要對電子產品的疲勞壽命進行評估，則需加大驗證樣件的數量，此時，每一種元器件的樣本量需要達到33個。

除驗證數量外，對試驗樣件的選取還需注意以下幾點：

（1）工藝驗證試驗樣件的印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）、元器件要求盡量與實際產品保持一致，也可為驗證工藝特制的工藝試驗件，樣件要求嚴格按照工藝規范進行生產。（2）工藝驗證所用PCB的材料、層數、厚度以及試驗板的安裝和結構要求盡量采用實際產品，或模擬實際產品情況進行試驗。（3）工藝驗證選用的元器件推薦采用菊花鏈形式，以便于試驗過程中的加電測試。如果某些元器件成本太高，也可采用非功能性工藝器件或商業級器件代替，但其外形封裝（包括引線材料及鍍層）應與待驗證元器件保持一致。（4）進行新焊接工藝驗證時，應保證試驗件上的元器件為已成熟使用的各種典型封裝，外形封裝符合標準要求，防止封裝引入其他不可靠因素。

1.2? 溫度條件的選擇

IPC-9701A建立了元器件在剛性、撓性及剛-撓結構電路板上焊接連接的性能和可靠性的不同等級，也介紹了溫度循環的試驗參數要求，如表1所示。

對于溫度循環（Temperature Cycle，TC）條件及熱循環次數（Number of Thermal Cycles，NTC）給出了多個條件及首選參考條件，由用戶根據產品特定的運行環境條件確定。

結合歐空局ECSS-Q-ST-70-38C[2]標準中對焊接工藝驗證的溫度條件要求，建議在航空電子產品上按照以下要求設計溫度循環試驗：

（1）溫度循環條件為﹣55～100 ℃，溫度變化速率不超過20 ℃/min，高低溫停留時間至少保持10 min，至少進行200次循環。（2）試驗樣件在溫度循環試驗前應進行預烘去潮，烘烤溫度：60～80 ℃，時間：1～2 h。

1.3? 過程檢測方法

在溫度循環驗證試驗過程中，推薦采用菊花鏈的電氣監測方式進行過程檢測。對試驗樣件進行監測，如圖1所示，以便于了解焊點失效的確切時間。如果不具備菊花鏈電氣監測條件，則通過金相切片等破壞性方式對結果進行確認。

1.4? 判定標準

樣件經過工藝驗證試驗后，以下所有檢驗項目全部合格標志驗證通過。

（1）外觀檢測。在至少40倍放大鏡下檢測試驗后元器件本體完好，焊點外觀無裂紋且無明顯變化。

（2）加電測試。若采用菊花鏈式芯片，加電測試過程中應無信號丟失，阻抗連續變化應小于1 000 Ω或初始值的20%。

（3）金相分析。試驗后應進行金相切片分析，焊點表面和內部裂紋未超過焊點重要部分的25%。

2? ? 工藝驗證流程

在工藝驗證實施之前，設計完整的驗證流程是十分重要的，工藝驗證流程一般按照如圖2所示的順序開展，試驗前及試驗過程每一階段應記錄焊點狀態，以便進行前后對比。

需要說明的是：

（1）如果驗證流程中設置了振動試驗，其與溫度循環在時間順序上沒有強制要求，可前可后。

（2）整個試驗過程中推薦進行加電測試，以更準確地知道試驗樣件具體的失效時間，以便于試驗結果的準確評估;但加電測試是推薦而非必須的。

3? ? 結語

形成一種相對完善的工藝驗證流程。為航空電子產品焊接焊接工藝驗證方法提供了指導，但航空電子產品種類繁多，具體的應用環境也存在著差異，因此，在設計工藝驗證條件時，還需要制造商在此基礎上，綜合考慮產品的具體使用環境，才能設計出更加合理的驗證方法。

[參考文獻]

[1]THE SMT ATTACHMENT RELIABILITY TEST METHODS TASK GROUP.IPC-9701 A performance test methods and qualication requirements for surface mount solder attachments[EB/OL].（2006-02-01）[2020-04-10].https：//shop.ipc.org/IPC-9701A-English-D.

[2]THE EUROPEAN SPACE AGENCY FOR THE MEMBERS OF ECSS.ECSS-Q-ST-70-38C High-reliability soldering for surface-mount and mixed technology[EB/OL].（2008-07-31）[2020-04-10].https：//www.doc88.com/p-4993561459801.html.

Research on soldering process verification method of avionics

Liu Bingjin

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， AVIC， Xian 710065， China）

Abstract：For military avionics products， a relatively perfect process verification method is described， which provides guidance for military avionics manufactures to do soldering process verification. There are many types of electronic products. This paper focuses on the characteristics of avionics， and explores and verifies the welding process verification methods.

Key words：soldering; process verification; reliability