钟鹏

（航空工业直升机设计研究所，天津，300000）

0 引言

直升机机载电子设备作为整机的核心功能组成部分，对于能否发挥出现代武器装备战斗力至关重要。随着科技的不断进步，直升机机载电子设备的技术性能及可靠性得到提升，逐渐向微型化、集成化和模块化方向发展[1]。直升机机载电子设备主要由若干个PCB（印制电路板，简称PCB）组装件构成，而PCB组件是指电子元器件通过典型装联工艺在PCB上实现电气互联互通，最后经调试合格的产品[2]。

近年来，相关学者围绕提高电子元器件的使用可靠性开展了大量的研究。但是，大多数研究主要针对如何提高电子元器件本身可靠性，却对电子元器件装联可靠性研究相对较少。直升机机载电子设备长期工作在温度交变、强烈振动和复杂的电磁兼容环境中，导致电子元器件电气联接失效故障频繁发生，严重影响机载电子设备的工作效率。因此，在设计与研究直升机机载电子设备可靠性时，不仅需要关注电子元器件本身可靠性是否达到装备使用需求，还应重点关注电子元器件与印制版电路的装联可靠性是否满足装备使用需求。

综上，有必要开展直升机装备电子元器件的装联可靠性试验，分析研究直升机装备电子元器件的装联可靠性，并结合直升机装备的工作环境与特点，探讨如何提高直升机使用电子元器件的装联可靠性，以期为提高直升机机载电子设备可靠性提供有价值的参考。

1 电子元器件装联可靠性简介

电子元器件的装联可靠性，也称电子元器件与PCB装联结构中焊点的可靠性，是指电子元器件通过典型装联工艺与PCB形成的装联结构耐受环境应力能力，具体分为耐温度循环应力可靠性与耐机械振动应力可靠性，一般可通过装联可靠性试验或者FΜEA法 (失效模式与影响分析法，简称FΜEA法) 分析获得某型电子元器件的装联可靠性[3]。

本文主要介绍利用装联可靠性试验研究直升机使用电子元器件的装联可靠性，具体工作流程包括装联前准备、元器件装联、装联后检查、耐环境应力可靠性评价试验、试验后检查及装联可靠性评价结论确定，如图1所示。

图1 电子元器件装联可靠性分析

由图1可见，在开展装联可靠性试验前，需要进行装联前准备，并通过典型装联工艺完成电子元器件与PCB的装联。在完成装联后，需要首先分析电子元器件与PCB的装联工艺适应性。其中，装联工艺适应性是指元器件对典型装联工艺的适应能力，一般通过对元器件预处理、回流焊接和焊接后质量检查等方式进行分析评价。若电子元器件与PCB形成良好的装联结构，说明该电子元器件的装联工艺适应性良好，则可进一步对焊接完成的板卡组件开展机械振动、温度循环试验，并对试验后的装联结构进行外观检查，最后通过分析可获得该电子元器件的装联可靠性。

2 电子元器件装联可靠性典型案例分析

BGA和QFP电子元器件由于可靠性高，电气联接性能较好，因此得到广泛使用。本节结合具体型号产品对电子元器件的装联可靠性进行分析研究，以厂家1自主研制的BGA封装SΜQ2V1000-4型现场可编程门阵列和厂家2自主研制的QFP封装SΜ1270型复杂可编程逻辑器件为例，各取试验样品2只，编号分别为YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2，试验样品的详细信息见表1。

表1 样品详细信息

在完成焊盘设计后，经过回流焊接等典型装联工艺分别完成YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2与PCB的装联，形成装联结构如图2所示。

图2 元器件板级装联结构

2.1 装联工艺适应性分析

为研究BGA和QFP电子元器件的装联工艺适应性，在试验前分别对YP1-1~YP1-2和YP2-1~YP2-2的装联结构进行X-ray检查，结果如图3所示。

由图3可见，YP1-1~YP1-2的焊点的空洞面积小于25 %，未见桥连、球窝等缺陷，焊点形貌良好；YP2-1~YP2-2的焊点未见桥连、虚焊等缺陷，焊点形貌良好。表明BGA和QFP电子元器件的装联工艺适应性良好，通过回流焊接等成熟装联工艺可以与PCB形成良好的装联结构。

图3 试验前装联结构X—ray检查结果

2.2 装联可靠性分析

2.2.1 耐温度循环应力可靠性分析

为研究BGA和QFP电子元器件与PCB装联结构的耐温度循环应力可靠性，依据QJ3086A-2016《表面和混合安装印刷电路板组装的高可靠性焊接》，结合直升机使用电子元器件的工作温度环境特点，设置温度循环试验条件为温度范围-50℃~100℃，高/低温各滞留15min，温变速率10℃·min-1，每次循环60min，循环次数200，分别开展YP1-1和YP2-1装联结构的温度循环应力试验，将试验后的装联结构进行金相分析，结果如图4所示。

图4 温度循坏应力试验后元器件装联结构金相分析代表性图片

由图4可见，YP1-1和YP2-1的装联结构经过温度循环应力试验后，焊点均发生了明显开裂，最大开裂长度分别为643.70μm和570.27μm，裂纹长度分别占焊接面长度的71.53% 和33.19%，均不满足QJ3086A-2016中焊点的表面和内部裂纹不应超过整个焊料填充区域的25%要求，因此YP1-1和YP2-1装联结构未通过该条件的温度循环试验考核。以上结果说明BGA和QFP电子元器件装联结构耐温度循环应力可靠性不高，如果在恶劣环境下使用，元器件的电气联接容易发生失效。直升机的工作环境比较复杂，需要适应高温炎热、低温严寒以及阴雨潮湿等环境，因此对电子元器件的耐温度循环应力可靠性要求较高，直升机机载电子设备如需使用BGA和QFP电子元器件，建议采取点胶加固，提高元器件装联结构的耐温度循环应力可靠性。

2.2.2 耐机械振动应力可靠性分析

为分析BGA和QFP电子元器件与PCB装联结构的耐机械振动应力可靠性，依据GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》中的方法2026.1，结合直升机使用电子元器件的振动环境特点，设置试验条件为功率谱密度0.2g2·Hz-1，振动加速度均方根值169.1m·s-2，振动时间15min/轴，振动方向为X/Y/Z轴，分别开展YP1-2和YP2-2装联结构的机械振动应力试验，将试验后的装联结构进行金相分析，结果如图5所示。

由图5可见，YP1-2和YP2-2的装联结构经过机械振动应力试验后，焊点均未发生明显开裂，满足QJ3086A-2016要求，元器件装联结构通过该条件的机械振动应力试验考核，表明BGA和QFP电子元器件装联结构耐机械振动应力可靠性较高。但是，相比其它航空装备，直升机的振动环境更加复杂，整机振动表现为更加剧烈。因此直升机对电子元器件的耐机械振动应力可靠性要求更高。为进一步满足直升机机载电子设备的使用需求，建议采取如合理优化元器件在PCB布局，避免产生共振或者在电箱上直接设置减振装置等。

图5 机械振动应力试验后元器件装联结构金相分析代表性图片

3 结论

(1)BGA和QFP电子器件装联工艺适应性良好，通过回流焊接等成熟装联工艺可以形成良好的装联结构。但是，在储存、运输以及使用等环节，还需要注意合适的包装，防止碰撞、挤压、污染以及腐蚀等破坏器件引脚共面性以及可焊性，避免形成装联结构缺陷。

(2)通过回流焊接等典型装联工艺，分别形成BGA和QFP电子元器件与PCB的板级装联结构，在经历试验条件为温度范围-50℃~100℃，高/低温各滞留15min，温变速率10℃·min-1，每次循环60min，循环次数200的温度循环应力试验后，装联结构出现明显开裂，表明该装联结构的耐温度循环应力可靠性不高，若在相对恶劣的环境下使用时，元器件容易发生电气联接失效故障。直升机长期工作在温度交变的环境之中，需要适应高温炎热、低温严寒、阴雨潮湿以及海洋盐雾等环境，对电子元器件的耐温度循环应力可靠性要求较高，若确需使用BGA和QFP电子元器件时，建议采取点胶加固或者优化焊接工艺方法，提高电子元器件装联结构耐温度循环应力可靠性。

(3)通过回流焊接等典型装联工艺，分别形成BGA和QFP电子元器件与PCB的板级装联结构，可耐受振动试验条件为功率谱密度0.2g2•Hz-1，振动加速度均方根值169.1m•s-2，振动时间15min/轴，振动方向为X/Y/Z轴，表明它们的耐机械振动应力可靠性较高。但是，相比于其它航空装备，直升机的振动环境更加复杂，整机振动更加剧烈。因此直升机对电子元器件的耐机械振动应力可靠性要求较高。为进一步保证电子元器件耐机械振动应力可靠性满足直升机的使用需求，建议采取如合理优化元器件在PCB布局，避免产生共振或者在电箱上直接设置减振装置等。

4 应用前景

基于论文研究结论，结合后续型号开展电子元器件的选型管理工作，总结得出几点应用前景可供参考，主要如下：

(1)在型号研制过程中，总师单位开展电子元器件选型指导与选用控制时，应关注元器件装联可靠性。在进行型号使用电子元器件清单优选审查时，不仅要审查元器件的质量等级、技术性能指标等是否符合要求，还需审查电子元器件封装选用是否合理，装联可靠性是否满足装备使用需求。

(2)在型号研制过程中，机载电子设备承制单位在确定使用BGA和QFP电子元器件时，需要制定提高电子元器件与PCB装联可靠性措施，防止由温度循环应力导致的元器件电气联接失效故障问题发生。建议承制单位在元器件装联时采取点胶加固措施，或者通过表面搪锡处理、合理选择焊接材料、控制焊接时间等方法优化焊接工艺，从而提高电子元器件装联可靠性，进而确保能够满足直升机装备在不同作战环境下的使用需求。