1.2.4 主要的可靠性试验方法

本小节将具体介绍几个主要或常用的可靠性试验方法以及几个焊点性能的检测方法，这些检测方法在评价焊点的时候常常需要用到。

1.热疲劳试验方法——温度循环

由于焊点通常需要面对温度变化的环境条件，如日夜与季节导致的温度变化，使用与非使用状态的温度变化，位置改变导致的温度变化等，以及焊点的不同材料结合的结构特点，这些温度变化都会导致焊点材料的周期性蠕变，周期性蠕变则最终会导致焊点疲劳失效，温度循环给焊点所带来的影响见图1.5。因此，基于焊点的主要失效机理，首先选择温度循环试验来考核焊点的可靠性。这种通过加大应力来进行的加速试验的前提是，试验全过程不能改变焊点的失效机理。因此，在选择试验方案或条件时，必须考虑应力及其水平的设置。按照IPC-9701A的标准给出的条件，温度循环的幅度分为五个等级，即TC1～TC5，低温区0～-55℃，高温区+100～125℃，优选的条件是温度循环在0～100℃，并且分别在最低和最高温度点处保持10min，升温或降温速率小于或等于20℃/min，以保持加速状态的蠕变与实际情况一致。具体情况见表1.8。

为了确保加速应力条件下焊点的失效机理与实际使用中的情况保持一致，标准IPC-9701A推荐温度循环的温度范围最好选择TC1，即0～100℃。这时候，高温阶段仍然处于典型的PCB的玻璃化温度之下，又不至于改变焊点的损伤机理。当然，在我们能够确认焊点损伤的失效机理不变的情况下，其他大范围的TC也是可以选择的，并且可以缩短试验的时间。在试验时间的选择上，最好试验到板面63.2%的焊点失效为止，因为这个时候正好对应的是这批焊点的特征寿命，并且可以很好地绘出精度较高的威布尔分布图，求得相关的特征参数。试验到50%的焊点失效，此时对应的时间恰好是这批焊点的平均寿命，这也是可以接受的。当然，如果焊点的可靠性很好，要试验到使50%或63.2%的焊点失效可能需要很长的时间，这个时候也可以选择试验适当的循环周期数，进行指定周期的定时截尾试验，相对于焊点的可靠性水平，可以选择NTC-A的200次循环，也可以选择NTC-E的6000次循环。对于大多数的循环温度范围而言，一般选择NTC-C水平的1000次来进行试验。温变速率要控制在20℃/min以内，1h完成一个循环。同时，该标准建议，为了便于监测焊点的失效状况，在相同工艺的前提下采用菊花链的测试结构来代替实际的PCBA。这样只要工艺与材料不变，得到的可靠性就可以与实际PCBA的基本一致。

值得注意的是，IPC-9701A是2006年版的，该版本引用的温度循环的条件来自于JEDEC的标准JESD22-A104的B版本，而现在最新JESD22-A104的版本已经到了2020年的F版本了。现在简单地介绍一下该标准的最新情况：温度循环的条件已经修改为11种，分别为（单位为℃）A（-55～85）、B（-55～125）、C（-65～150）、G（-40～125）、H（-55～150）、I（-40～115）、J（0～100）、K（0～125）、L（-55～110）、M （-4 0～1 5 0）、N（-40～85）。最低温度允许的误差为（+0，—10）；最高的温度允许误差为（+10/15，-0）。另外，也将最低或最高温时的停留时间改成1min、5min、10min和15min共四种模式。而每个循环的时间长度从小于1h到3h不等，但是对于互连焊点，则推荐每个循环至少时长为30min。

具体的试验方法可参考相关的标准。

2.振动试验

电子电工产品在运输或使用过程中都可能遇到不同频率或不同强度的振动环境，这对产品中焊点的可靠性是一个严峻的挑战。例如，车载电子设备会由于车辆的运动而产生振动，由于车辆运行的轨迹、速度、路面状况以及车辆的负荷等不同，焊点所受到的振动频率与振幅也不同。一般情况下，汽车、火车在运行过程中产生的振动加速度小于5.6g，振动频率范围为2～8Hz；民航飞机运行时产生的振动最大加速度可达20g，频率多为30Hz左右。当振动激励造成应力过大时，会使焊点或结构产生裂纹和断裂。长时间的振动形成的累积损伤会导致焊点产生疲劳破坏，如果焊点含有隐含的缺陷或设计不良，则振动试验很容易触发焊点失效。振动试验就是振动台在实验室的环境下模拟各种振动环境，将样品用专用夹具固定在振动台上进行试验，以检验振动对焊点可靠性的影响，确定焊点耐受振动的能力。

振动试验一般可以分为随机振动和正弦振动，后者又可以分为振动疲劳试验、扫频试验和振动噪声试验。自然界中的大多数振动属于随机振动，但是由于随机振动的复现性差以及试验的复杂性，许多情况下采用正弦振动来模拟替代。振动疲劳试验常常被用来考察焊点的可靠性，该试验采用固定的频率（如50Hz），振动加速度～10g，在X、Y、Z三个方向上各进行1h的试验。需要注意的是，振动试验中的安装与控制非常关键，特别是固定点、检测点以及控制点的选取，必须考虑试验结果的复现性以及与实际使用情况的吻合度。对于焊点的评价来讲，焊点所在的PCBA一般应该参考实际设备中的情况来安装，或者固定四个角上的支点，以使焊点在振动时受到充分的激励应力的考核。

由于篇幅所限，关于振动试验的具体试验方法可参考IEC标准，如IEC 68-2-34《环境试验 第2部分：试验方法 试验Fd：宽频带随机振动—一般要求》、IEC 68-2-36《环境试验 第2部分：试验方法 试验Fdb：宽频带随机振动—中再现性》、IEC 68-2-37《环境试验 第2部分：试验方法 试验Fdc：宽频带随机振动—低再现性》，以及IEC 68-2-6《环境试验 第2部分：试验方法 试验Fc和导则：振动（正弦）》，也可以参考国家标准GB/T 2423-（10～14），还可以参考JESD22-B110B（Mechanical Shock-Component and Subassembly）和IPC-TM-650 2.6.9来进行。JEDEC标准则是专门针对组件或部件的试验方法，不过它把跌落、振动等对焊点的影响通过不同水平的机械脉冲应力来模拟，也把组件分成自由态和固定态（固定在某些治具上）来分别模拟不同的应力环境。

3.跌落试验

跌落试验主要是考察产品从一定高度上自由跌落下来的适应性和经受这种跌落后其结构或焊点的完整性。随着技术的进步，电子产品越来越小型化，便携式的电子产品越来越多，如鼠标、MP3和手机，这些电子产品在使用、运输的过程中极易发生跌落或甩伤。因此，跌落试验常用来评估焊点的耐跌落的性能。试验进行的时候，主要考虑的条件有试验台面的材质和硬度、跌落释放的方式和跌落的方向、跌落的高度或严酷等级等。对于小样品（如PCBA），试验台面一般采用硬质木地板（地板下为钢筋混凝土），样品的重量大时直接采用钢筋混凝土地板台面。IEC标准规定的跌落试验的严酷等级分为六级，对于小于20kg的样品，跌落高度（严酷等级）为1.0～1.2m。对于小型的电子产品，一般跌落的方向是六个面和四个角朝下分别跌落一次，共10次，并通过显微镜外观检查或电阻检测来考察焊点的破坏情况。

跌落试验的细节可以参考IEC标准IEC 68-2-32（Basic Environmental Testing Procedures Part2：Free Fall）或国家标准GB/T 2423.8《电子电工产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Ed：自由跌落》，也可以参照JEDEC标准JESD22-B111规定的方法，通常选取的试验条件是JESD-22-A110A规定的自由态测试水平条件B（1500G，0.5ms）的脉冲；也可以是条件H（2900G，0.3ms）的脉冲，关于详细的试验程序、样品安装方式以及失效监测方法等在该标准中都有明确的规定。

4.高温储存试验

高温储存主要是用来考查产品在储存条件下，温度与时间对产品可靠性的影响。对于焊点而言，经常会遇到高温的储存与使用环境，高温对焊点的影响主要体现在促使焊点界面的金属间化合物的生长，金属间化合物长厚的同时，可能还会产生Kirkendall空洞，这时焊点的强度就会下降。也就是说，高温应力可以导致焊点老化或早期失效。这一加速老化的过程可以用阿伦尼乌斯定律来描述。

目前没有专门针对焊点的高温试验的试验标准，一般焊点高温试验条件的选择可以参考JEDEC的标准JESD 22-A103C-2004（High Temperature Storage Life，《高温储存寿命试验》）。高温应力的水平可以划分为A～G共7个条件（见表1.9），对于PCBA上的焊点而言，一般选择条件A或G，因为其他温度条件可能导致其他新的退化失效机理，如超过PCB基材的T_g，将导致PCB严重变形，这样会对焊点产生新的应力，必然导致新机理的产生。此外，部分塑料封装的元器件的焊点也会产生类似问题。另外，由于高温应力单一及受周围的因素影响所限，试验的时间一般较长，都在1000h以上。试验过程最好有检测设备（见疲劳试验部分）进行检测，以便及早发现失效样品。也可以通过切片后用扫描电子显微镜来检查Kirkendall空洞的生长状况或速度，以达到初步评估焊点可靠性的目的。

5.湿热试验

湿热试验的目的是确定焊点在高温高湿或有温度、湿度变化的情况下工作或储存的适应性。焊点是一个由焊盘、引线脚以及焊料等不同材料组成的统一体，高温高湿的同时作用，水分会在高温的推动下不断扩散、吸附、溶解等，会促使焊点及其周围发生化学或电化学反应，导致金属加速腐蚀，如果焊接工艺中有助焊剂的残留物，则这种腐蚀则更快、更为显著。湿热试验的失效判据一般是检查外观变色或枝晶生长与否，同时还可能进行功能检查以及绝缘性能的检测，看看功能正常与否和绝缘电阻是否下降到极限值以下。

对于焊点而言，大多选取恒定湿热试验来考察，交变湿热较少使用。考虑到焊点可能遇到的环境条件以及试验的时间，湿热条件一般选为：40℃±2℃，93%±3%RH，或者85℃±2℃，85%±2%RH。另外，根据产品的可靠性等级或使用寿命长短，可以选取不同的试验时间：48h、96h、144h、240h、504h、1344h，也有选择168h或1000h的。试验的顺利进行还需要有能达到上述试验条件要求的试验箱。

6.电迁移（ECM）试验

随着电子产品向小型化及智能化的方向发展，焊点及导线之间的距离越来越小，而焊点在形成工艺过程中在其表面或周围会有一定的残留物聚集。当这些残留物中包含腐蚀性强的离子性物质时，将会给焊点乃至整个PCB组件带来腐蚀和漏电的可靠性问题，这一问题产生的主要机理就是发生了电迁移（ECM）。为了评估焊点或PCBA发生电迁移的可能性，常常需要针对PCBA工艺过程或相关物料进行电迁移试验。电迁移发生的机理和过程可以简单描述如下：第一步，焊点表面的金属在大气环境下首先氧化形成氧化物；第二步，残留物吸湿并电离出活性离子；第三步，活性离子在空气中水分的帮助下与金属氧化物反应并生成金属离子；第四步，设备工作时焊点之间产生电位差，金属离子向阴极移动；第五步，金属离子移动过程电场反复导致离子结晶析出溶解反复；上述第三步至第五步反复循环，最终产生枝晶并发生漏电现象。其中最容易产生电迁移或枝晶的金属元素是银、铅、锡及铜。图1.19是这些枝晶的典型代表。而这种失效往往不是一两个样品的失效，而是整批次的产品都会出故障，导致损失巨大。

评价焊点的生产工艺或材料的电迁移情况，一般按照标准IPC-TM-650 2.6.14.1《抗电化学迁移试验》规定的程序进行。其主要方法简单介绍如下。

首先要在实际的样品上制作标准的梳形电极图形，或者参照标准制作梳形标准电极（间距0.318mm），如图1.20所示，也可以在实际的PCBA上选择类似的图形进行参考测试。然后使用相应的材料与工艺并按照正常的工艺流程制作样品，再将这些样品接上导线后置于温湿度为65℃，88.5%±3.5%RH （或40℃，93%±2%RH；85℃±2℃，88.5%±3.5%RH）的试验箱中，稳定96h后，测量绝缘电阻作为初始值，然后通过导线加上10V DC的偏置电压，再在试验箱中保持500h。最后再测量其绝缘电阻并将其与初始值进行比较，如果不低于初始值的十分之一，并且无枝晶生长（或生长不超过电极间距的20%），焊点无腐蚀，则该PCBA或焊点的耐电迁移能力合格。

近年来某些研究显示，低的偏压如5V DC更能激发电迁移的发生。为此，一些国际知名品牌的大公司还制定了自己公司内部的电迁移试验程序，例如，美国惠普公司的试验条件就是：温湿度为50℃，90%RH，所加偏压为5V DC，试验时间为672h（28天）。

当然，对于可靠性要求很高的产品，其电迁移试验的时间还将被延长到1000h以上，并且连续监视其绝缘电阻值随时间的变化，同时可能还需要进行PCBA的表面离子清洁度的测量，评估离子残留量与电迁移发生概率之间的关联性。

7.高加速寿命试验和高加速应力筛选

传统的正常应力水平或加速寿命试验一般都需要半年以上的时间，显然不能满足日新月异的电子信息产品更新换代对设计品质或工艺品质验证的需求。因此，最早由美国军方研究推出的HALT（Highly Accelerated Life Test）与HASS（Highly Accelerated Stress Screening）技术现已经成为电子信息产业快速设计验证与工艺验证的试验方法，试验时间可以缩短到一周左右。由于目前HALT是一种全新的可靠性试验技术，还没有国际标准可以参考，国家标准也是刚刚出来，因此，下面将较为详细地介绍这一方法。

HALT从名称上看是一种寿命试验，但其更重要的作用是充当产品的设计或操作极限验证的角色。它是一种使样品承受不同阶梯应力，进而及早发现设计极限以及潜在缺陷或弱点的程序性的试验方法。利用此试验方法可迅速找出产品设计及制造的缺陷、改善设计缺陷、增加产品可靠度并缩短上市时间，同时可建立设计能力、产品可靠度的基础资料及日后成为研发的重要依据。通过失效分析手段对HALT发现的缺陷进行分析，再通过设计改进等达到产品可靠度增长的目标。HALT的具体内容如下。

● 逐步施加步进应力直到产品失效/故障。

● 采取临时措施，修正产品的失效/故障。

● 继续逐步施加应力直到产品再次失效/故障时，再次修正。

● 重复以上应力—失效—修正步骤，直到不可修复。

● 找出产品的基本操作界限和基本破坏界限。

在HALT中，可找到样品在温度及振动应力下的可操作界限（Operational Limit）与破坏界限（Destruct Limit）。可操作界限的定义为当实验过程中发生功能故障时，在环境应力消除后即自动恢复的应力临界点；而破坏界限则是功能故障在环境应力消除后依然存在的应力临界点（见图1.21）。

因此，HALT主要用于产品的研发阶段，其应力远高于正常运输、储存、使用时的应力，所使用的这些应力一般包括高低温储存、温度冲击、随机振动及多轴向振动、温度与振动组合应力等。一般HALT的程序如下。

（1）温度步进应力试验：此项试验分为低温及高温两个阶段应力，首先进行低温阶段应力试验，将样品放于综合环境试验机中，将温度感应线接至欲记录的零件上，并调整风管使气流能均匀分布于机台上，依样品的电气规格加满载，设定起始温度20℃，每阶段降温10℃，阶段温度稳定后维持10min，之后在阶段稳定温度下至少进行一次开关机及功能测试，如果一切正常则将温度再降10℃，并待温度稳定后维持10min再进行开关机及功能测试，以此类推，直至发生功能故障，则将温度恢复至常温并稳定后再进行开关机及功能测试，观察其功能是否恢复，以判断是否达到操作界限或破坏界限。如果功能正常恢复，则将故障前的低温值记录为可操作界限，同时再将温度逐段下降直至发现当恢复至常温仍然无法使功能自动恢复的低温，则此低温即为低温破坏界限。在完成低温应力试验后，可依相同程序进行高温应力试验，即将综合环境应力试验机自 20℃开始，每阶段升温10℃（PCBA的第一步升温可以到55℃），待温度稳定后维持10min，然后进行开关机及功能测试直到发现高温操作界限及高温破坏界限为止（见图1.22）。

（2）快速温变试验：此试验将先前在温度步进应力试验中所得到的低温及高温操作界限作为此处的高低温度界限，并以60℃/min的快速温度变化率在此区间内进行6个循环高低温度变化，在每个循环的最高温度及最低温度皆需停留10min，使温度稳定后再进行开关机及功能测试，如果发现样品发生可恢复性故障，则将温变速率减小10℃/min，再进行温变，直到6个循环皆无可恢复性故障发生，则此温变速率即为此试验的操作极限，在此试验中不需要寻找破坏极限。

（3）随机振动试验：此试验是将振动频率值自5g开始，且每阶段增加5g，并在每个阶段维持10min后，在振动持续的条件下进行开关机及功能测试，以判断其是否达到可操作界限或破坏界限。当频率值达到30g时，在功能测试完成后，必须将频率值降至5g，再进行功能测试以观察样品是否在高振动条件下遭到破坏，但无法测得隐含的不良情况，而后更高频率值的测试都以此模式进行。

（4）温度振动组合环境试验：此试验将快速温变及随机振动试验合并同时进行，使加速老化的效果更显著。在HASS 的实验中就是以组合条件进行的，这样才能在短时间内发现制造上的问题。此处使用先前的快速温变循环条件及温变率，并将随机振动频率值自5g开始配合每个循环递增5g，且使每个循环的最高及最低温度持续10min，待温度稳定后进行开关机及功能测试，如此重复进行直至达到可操作界限及破坏界限为止。在以上4个试验中，样品所产生的任何异常状态应加以记录，且应分析是否可以由变更设计克服这些缺陷，并加以修改后再进行下一步骤的测试，提高产品的可操作界限及破坏界限，从而达到提升可靠性的目的。

HASS技术是一种高效的工艺筛选过程。它使用较高个别或组合应力，施加在批量生产的产品上进行筛选，剔除产品的隐含缺陷而又不至于损伤良好产品，同时可以为生产工艺的改进提供依据。HASS所使用的应力来自于HALT，通常，预筛选所采用的应力介于产品的操作界限与破坏界限之间，而探测筛选所采用的应力介于产品的标称值与操作界限之间。HASS一般应用于工艺试验或生产阶段，找出那些极有可能沉淀在客户使用终端，并最终导致产品故障的潜在缺陷，HALT/HASS已被证明是非常有效的。

HASS试验条件的建立一般包括三个步骤。

（1）HASS试验计划必须参考HALT 所得到的结果。一般均将组合环境试验中的高、低温度的可操作界限缩小20%，而振动条件则以破坏界限值的50%作为HASS试验计划的初始条件，然后再依据此条件开始进行组合环境试验，并观察样品是否有不良情况发生。如果有，则先分析判断是因过大的环境应力造成的，还是样品本身品质不良造成的，属前者时应再放宽温度及振动应力10%，属后者时表示目前测试条件有效。如果皆无不良情况发生，则必须再加严测试环境应力10%。

（2）不良品有效性验证。在建立HASS试验条件时应注意两个原则：第一个为该试验必须能检测出可能造成设备故障的潜在不良情况；第二个为经试验后，不致造成设备损坏或“内伤”。为了确保HASS试验所得到的结果符合上述两个原则，首先还必须准备三个试样，并在每个样品上制作一些未依标准所制造或组装的缺陷，如零件浮插、空焊及组装不当等。以最初HASS所得到的条件测试各样品，并观察各样品上的人造不良情况是否被检测出，以决定是否加严或放宽测试条件，而能使HASS试验剖面达到预期效果。

（3）良品有效性验证。在完成有效性验证后，应再把新的良品在调整过的条件测试30～50次，如果皆未发生因应力不当而破坏的现象，则此时即可判定HASS试验条件。反之则必须再检测，调整测试条件以求得最佳组合。同时仍必须配合产品经客户使用后所回馈的异常再做适当的调整。另外，当设计变更时，也应修改测试条件以符合要求。

由于设备或整机产品由众多的零部件和模块组成，HALT会导致故障模式分布零散而复杂，使失效或故障分析困难。因此，HALT和HASS主要应用于组件、模块以及电路单元等，尤其适用于PCBA及焊点质量的考察。