1.18 焊点可靠性试验与寿命预估（IPC-9701）

IPC-9701

IPC-9701《表面贴装焊接连接的性能测试方法与鉴定要求》中制定了详细的测试方法来评估表面组装焊接连接的性能与可靠性。

已经贴装到PCB上的表面组装元器件的可靠性，取决于焊接连接的完整性及元器件与PCB之间的交互作用。

为了确保表面组装件焊接连接达到在具体使用环境中的可靠性预期值，即使采用了适当的可靠性设计方法，通常也要确认其在一些具体应用中的可靠性。因为焊料的蠕变与应力松弛特性与时间有关，所以在加速测试中疲劳破坏与疲劳寿命通常与实际情况有所不同。但通过适当的加速度因子，可从加速测试结果中估算出产品的可靠性。

失效物理概念

1.可靠性

产品（表面组装焊接连接）在规定的条件下和规定的时间内，在可接受的失效程度范围内，实现规定产品功能的能力。

2.蠕变

和时间相关的黏塑性形变。蠕变是外加应力和温度的函数。

3.应力松弛

随时间发生的从弹性应变到塑性应变产生的黏塑性形变导致焊料中应力减少的现象。

4.焊料蠕变疲劳模型

蠕变疲劳模型是一个基于经验数据模型，用来评估焊点在经历周期性的蠕变-疲劳条件下的寿命。可靠性测试的结果，产品的可靠性和加速系数可以用Engelmaier-Wild模型（见IPC-279，附录A中的3.1节）或其他已验证的适用模型来估算。

在Engelmaier-Wild焊点疲劳模型中，用变量疲劳性指数定义了曲线的特征斜率，该曲线把焊料的疲劳寿命与循环黏塑性应变能量联系起来。相比于无蠕变金属确定的Coffin-Manson方程中的不变指数，变量疲劳性延展性指数是通过经验确定的，并且是时间和温度的函数。

5.不均匀热膨胀

在产品工作或可靠性测试中，因温度变化而产生的不同材料之间的热膨胀和收缩差异，称之为不均匀热膨胀。热膨胀或收缩的程度用材料的热膨胀系数（CTE）来衡量。公认的不均匀热膨胀形式有两种。

（1）“整体”热膨胀失配：元器件和基板之间的热膨胀失配。

（2）“局部”热膨胀失配：材料本身和其要焊接的材料之间的热膨胀失配。

可靠性测试

1.加速可靠性测试

加速测试是通过加速所关注的使用条件下的某种失效机理而导致产品在比实际使用寿命更短的时间内发生失效。虽然加速测试结果来自较短的循环周期或更恶劣的载荷条件，但必须避免其他无关的失效机理。产品的服务寿命可以通过合适的加速因子来评估。

2.温度循环（也称热循环）

组件暴露在周期性的温度变化过程中，温度变化率足够慢以避免热冲击（通常≤20℃/min。）

温度循环的最高温度应比PCB板材的玻璃化温度（T _g ）值低25℃。

必须注意的是，当温度循环的温度在-20℃以下或110℃以上，或同时包含上述两种情况时，对锡铅焊接连接可能产生不止一种损伤机理。这些机理倾向于彼此相互加速促进，从而导致早期失效。

3.热冲击

当组件暴露在温度快速变化的条件（在零/组件内引起随时温度梯度、翘曲以及应力）时会发生热冲击。热冲击的温度变化率通常大于20℃/min。

4.功率循环

对于经常被接通/断开电源的电子元器件而言，功率循环测试可能比温度循环测试更能够准确地模拟现场使用条件。

温度循环试验参数

温度循环测试温度曲线（见图1-91）

测试参数

参数

（1）循环温度范围/幅度：在产品工作或温度循环测试过程中最高与最低温度的差异。见图1-91和表1-7、表1-8。

（2）样品温度（T _s ）：温度循环期间的样品温度，通过黏附于或埋入样品的热电偶或等效的温度测试仪器来测量。在连接方法中使用的热电偶或等效的温度仪器应该确保样品整体都能够达到温度极限和停留/保温要求。

（3）最高样品温度T _s（max） ：测量得到的样品所经受最高温度。

（4）最高标称温度T _（max） ：具体测试条件下的最高标称温度是所要求的最高样品温度。

（5）最低样品温度T _s（min） ：测量得到的样品所经受最低温度。

（6）最低标称温度T _（min） ：具体测试条件下的最低标称温度是所要求的最高样品温度。

（7）停留/浸泡时间t ₀ ：样品温度在规定的最高标称温度或最低标称温度及其允许温度范围内的总时间。停留时间对加速测试尤为重要，因为在加速测试中蠕变过程尚未充分完成。停留过程允许修正不充分的蠕变效应，因为产品在工作条件下的温度循环通常都足够长以允许在每个循环停留中蠕变过程都是完整的。

（8）停留/保温温度：高于循环顶部最高标称温度或低于循环低部最低标称温度的温度。

（9）循环时间：一个完整温度循环的设计如图1-91所示。

（10）温度斜率：样品在单位时间内温度上升或下降的速度。应该在温度曲线的线性部分测量温度斜率，即通过在具体测试温度范围的10%～90%之间测量。注意：斜率与负载有关，加上被测试负载后，应该对斜率进行验证。

电子类型与应用环境

表面组装产品类型和最恶劣使用环境见表1-7。

温度循环测试条件

在强制条件下的强制与首选测试参数见表1-8。

寿命评估

能够替代试验验证的焊点可靠性评估的分析与计算模型还没有完整地建立起来。因此，元器件的终端用户越来越多地利用试验和计算的焊点可靠性理论来估算实际的现场寿命。

需要考虑两个加速因子。

（1）AF（N）：与焊点的循环疲劳寿命有关，在给定的使用环境中产品寿命的测试中获得。

（2）AF（MTTF）：与焊点的失效时间有关，在给定的使用环境中产品寿命的测试中获得。

根据失效周期，加速因子可表示为

公式中：N _f （产品）是使用中产品的平均疲劳寿命，N _f （50%）。N _f （测试）是测试模拟产品的测试板的平均疲劳寿命，N _f （50%）。

根据失效时间，加速因子可表示为

公式中：f（测试）为测试的循环数，f（产品）为使用中的循环数。

给定元器件组件在四种测试条件和四种典型使用条件下的平均疲劳寿命与加速因子见表1-9。

所有加速试验的关键是获得加速因子，根据加速因子求得使用环境下的寿命。所谓模型，即试验因子的计算公式或表格。

工作中需要掌握：

（1）通过试验预测寿命。

（2）通过试验复现失效。

（3）通过试验暴露不良与短板。

（4）通过试验了解性能。

关于无铅焊点疲劳模型问题

有铅焊点经历了数十年的理论积累，其疲劳、蠕变性能已有深入认识，已经形成了被广泛认可的疲劳寿命模型，如Manson-Cofffin、Norris-Landzberg等模型；AT&T Bell Lan等机构对模型进行了修正，能较准确地预测产品的使用寿命。

而无铅焊点在疲劳、蠕变甚至结晶等诸多方面表现出了差异：蠕变速率较慢（见图1-92），甚至随时间而变；ATC的疲劳寿命数据差异极大，与老化条件、Dwell time、焊点尺寸等非常敏感，甚至SAC387与SAC305之间的差异也超出人们的预期。问题似乎与SAC的非共晶结晶特性、Sn的各向异性生长（见图1-93）、不同尺寸焊点的过冷情况等有关，但仍需要更多的探索。

UIC、Cisco、Intel等机构对有铅无铅混装焊点的工艺与可靠性的长期研究表明，混装焊点的可靠性仍然低于有铅焊点，见图1-95所示。