機載電子設備溫循壽命試驗方法探討

醋強一，成鑫，暢凡，焦遠翔

1.航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065

2.西北工業大學，陜西 西安 710072

飛機對機載電子設備壽命的指標要求越來越高，使用環境日益惡劣，各系統設備的復雜程度及元器件集成度越來越高，對機載電子設備可靠性設計提出了新的挑戰[1]。溫度、振動和濕度是最常遇見且造成機載電子設備故障最多的環境因素。統計數據表明，在機載電子設備故障中有52%是由環境作用引起的，而在這52%的故障中，由溫度因素引起的故障占40%，振動占27%，濕度占19%[2-3]。可見，溫度環境因素對機載電子設備可靠性的影響最顯著。器件封裝和電氣互聯技術是電子設備的核心技術之一。已有的研究表明，電子設備失效中的70%是由封裝失效引起的，而封裝失效的主要原因則是焊點的失效。在使用過程中，由于環境冷熱循環、功率循環及振動沖擊等原因，焊點與元件、焊點與印制板（PCB）之間因熱膨脹系數不匹配而在焊點材料中產生較大的交變應力循環，從而發生塑性應變和蠕變應變的累積，造成熱疲勞破壞，是焊點發生失效的主要原因之一[4-5]。

隨著芯片封裝從帶引線的通孔插裝式封裝，發展到四周帶引線的表面貼裝封裝，直至現在的無引線球柵陣列封裝。芯片級封裝正朝著I/O端口數量越來越多、球柵間距越來越小，而芯片功能越來越多、尺寸越來越大的方向不斷發展，這使得器件受力越來越脆弱，電路板組件焊點的溫循壽命問題變得越來越突出。而陶瓷封裝材料的熱膨脹系數低、彈性模量大的特點，更容易發生焊點熱疲勞失效。

國內元器件廠家更多關注器件內部的可靠性設計，在高可靠應用領域常用陶瓷封裝器件，器件外部與印制板連接的可靠性設計方面有所欠缺。下游電子設備廠家選用元器件若缺乏經驗，三五年后會發生陶瓷封裝元器件焊點溫循疲勞開裂的問題。但在進行故障分析時又都發現元器件和電子設備均已完成了鑒定試驗。這些都說明鑒定試驗可能沒有充分驗證元器件的焊點壽命。

本文主要探討傳統美軍標機載電子設備鑒定試驗條件是否能夠涵蓋裝備的溫循全壽命周期考核，研究適用機載電子設備高可靠使用的溫循考核標準。

1 機載電子設備鑒定試驗條件分析

機載電子設備在定型前需要進行環境鑒定試驗和可靠性鑒定試驗。目前裝備環境鑒定試驗一般按照MIL-STD-810G[6]標準執行，環境鑒定試驗項目中與壽命相關的試驗考核為振動耐久試驗，溫度相關的試驗僅適用于評價時間相對較短（數月而不是數年）的設備工作情況，溫循試驗一般為-55～70℃共三個循環。沒有元器件焊點熱疲勞壽命考核要求。可靠性鑒定試驗按照MIL-HDBK-781A[7]標準執行，在電應力、振動應力、溫度應力、濕度應力綜合作用下進行循環試驗，這些應力剖面真實模擬產品在使用中經歷的實際環境。可靠性鑒定試驗時間長度為平均無故障間隔時間（MTBF），系統越復雜，MTBF 值越小，試驗時間越短，從幾百小時到幾千小時不等，考慮到試驗周期和成本，一般會對其進行加速試驗。常見的可靠性鑒定試驗溫循條件為-55～70℃每8h 一個循環，進行100 個循環左右。其與全壽命考核是兩個范疇，可靠性鑒定試驗時間不足以證明機載電子設備能夠滿足飛機全壽命周期使用。并且目前大量的學者和行業公司已經意識到MTBF預計的局限性和不準確性，已轉向故障物理（PoF）方法的探索中。元器件試驗一般按照MIL-STD-883G[8]標準執行，其試驗項目只針對元器件本體進行驗證，不包含元器件與印制板焊接可靠性的驗證。因此會導致有的元器件廠家忽視元器件焊點或引線的溫循可靠性設計，給使用者帶來風險。

綜上所述，傳統的電子設備環境鑒定試驗、可靠性鑒定試驗、元器件鑒定試驗不能充分驗證元器件焊點的熱疲勞壽命，無法涵蓋設備的全壽命周期考核。

2 機載電子設備高可靠溫循試驗標準研究

機載電子設備按照產品真實的熱振環境和壽命指標進行壽命考核較為準確，但是對于長壽命高可靠產品是不現實的，時間周期長，試驗成本高，一般采用加速試驗驗證方法。現有的關于電子設備高可靠性試驗標準有:國際電子工業連接協會IPC-9701A[9]、歐空局ECSS-Q-ST-70-38C[10]和美國VITA47.1-2019[11]等。

IPC-9701A 標準根據產品使用環境和壽命要求的不同，劃分了不同等級的溫循范圍、循環次數，以及試驗樣品數量、印制板厚度等參數，但沒有明確該怎么選擇這些試驗參數，讓廠家自己定義，可操作性不強。

ECSS-Q-ST-70-38C 標準中第14 章節明確了振動和溫循試驗條件，溫循條件為:-55～100℃，高低溫駐留時間為15min，每一循環持續時間61min，循環次數為500次。具體如圖1所示。

圖1 ECSS-Q-ST-70-38C溫循試驗條件Fig.1 ECSS-Q-ST-70-38C condition of temperature cycling

VITA47.1標準根據可拔插模塊的使用惡劣條件，將其環境試驗進行等級劃分。其溫度循環條件從低到高分為C1、C2、C3、C4 的4 個等級，具體見表1。其要求鉛基焊料在每個周期溫度穩定后的每個極端溫度的最小停留時間應為15min，無鉛和混裝焊料最小停留時間應為30min。模塊的溫度在5min內變化小于2℃時，認為達到溫度穩定，溫升最大斜率應為20℃/min。

表1 VITA47.1溫循試驗條件Table 1 VITA47.1 condition of temperature cycling

ECSS-Q-ST-70-38C 標準的溫循條件時間固定，不考慮試件溫度穩定所需時間，適用于熱容比較小的單板級高可靠焊接工藝驗證，對于熱容比較大的模塊或整機是不適用的。VITA47.1標準考慮試件溫度穩定所需時間，適用于熱容比較大的模塊和整機級溫循壽命驗證。ECS-Q-ST-70-38C 和VITA47.1 標準對溫循次數都要求500 個，VITA47.1標準有不同等級的溫度范圍要求，其最嚴酷的C4標準溫循范圍大于ECSS-Q-ST-70-38C 標準。美國國防裝備公司均以產品滿足VITA47.1標準溫循C4等級試驗挑戰作為其可靠性的賣點[12]，可見此試驗的重要性。綜合對比各標準的溫循試驗條件（見表2），可看出VITA47.1 標準對電子產品壽命驗證更全面。

表2 各標準溫循試驗對比表Table 2 Comparison between temperature cycling standard

3 機載電子設備溫循試驗驗證

為了驗證機載電子設備耐溫循壽命的能力，對某機載電子設備按照VITA47.1—2019 標準溫循C4 等級設計溫循試驗驗證。通過溫度測試得到其達到高溫和低溫穩定時間為60min，因此設備一個溫循周期時間為150min。每20 個溫度循環進行一次上電測試，記錄產品狀態，定位失效元器件，進行金相剖切分析。

試驗后發現某CBGA 封裝器件低鉛焊接狀態在80 個溫循后首先發生失效（見圖2），相同封裝器件高鉛焊接狀態在340 個溫循后發生失效（見圖3）。通過金相剖切分析可看到，兩種焊接狀態焊點均存在疲勞裂紋，裂紋附近組織粗化，屬于典型熱疲勞裂紋。實際使用時，也是此CBGA低鉛焊接元器件首先發生熱疲勞失效，說明此試驗方法可以識別熱疲勞薄弱元器件。同時可看出CBGA封裝器件低鉛焊接的焊點壽命較低，高鉛焊接狀態焊點壽命較高，這是由于低鉛焊點屬于塌陷焊點，焊點高度較低，高鉛焊點屬于非塌陷焊點，焊點高度較高。這就使得電子設備在溫循熱脹冷縮過程中，低鉛焊點的剪切應變大于高鉛焊點，更容易先發生熱疲勞失效。

圖2 CBGA低鉛焊點裂紋形貌Fig.2 CBGA low Pb solder joint crack morphology

圖3 CBGA高鉛焊點裂紋形貌Fig.3 CBGA high Pb solder joint crack morphology

4 結論

針對機載電子設備溫循壽命問題，研究了適用于機載電子設備高可靠溫循壽命的考核標準。結論如下:

（1）傳統的美軍標機載電子設備環境鑒定試驗、可靠性鑒定試驗、元器件鑒定試驗不能充分驗證元器件焊點的熱疲勞壽命，無法涵蓋設備的全壽命周期考核。

（2）ECSS-Q-ST-70-38C標準適用于板級高可靠溫循壽命驗證試驗，VITA47.1標準適用于模塊級和整機級電子設備溫循壽命驗證。

（3）通過VITA47.1溫循試驗驗證了CBGA封裝器件低鉛焊點比高鉛焊點更容易先發生熱疲勞失效，與實際情況相符。

后續還需研究機載電子設備標準溫循試驗壽命與實際使用壽命之間的關系，以便能夠快速評估產品的使用壽命。