IPC-9701《表面貼裝焊接連接的性能測(cè)試方法與鑒定要求》中制定了詳細(xì)的測(cè)試方法來(lái)評(píng)估表面組裝焊接連接的性能與可靠性。

已經(jīng)貼裝到PCB上的表面組裝元器件的可靠性，取決于焊接連接的完整性及元器件與PCB之間的交互作用。

為了確保smt加工廠的表面組裝件焊接連接達(dá)到在具體使用環(huán)境中的可靠性預(yù)期值，即使采用了適當(dāng)?shù)目煽啃栽O(shè)計(jì)方法，通常也要確認(rèn)其在一些具體應(yīng)用中的可靠性。因?yàn)楹噶系娜渥兣c應(yīng)力松弛特性與時(shí)間有關(guān)，所以在加速測(cè)試中疲勞破壞與疲勞壽命通常與實(shí)際情況有所不同。但通過(guò)適當(dāng)?shù)募铀俣纫蜃?，可從加速測(cè)試結(jié)果估算出產(chǎn)品的可靠性。

1、可靠性

產(chǎn)品（表面組裝焊接連接）在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，焊點(diǎn)可接受的失效程度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)規(guī)定產(chǎn)品功能的能力。

2、蠕變

和時(shí)間相關(guān)的黏塑性形變。蠕變是外加應(yīng)力和溫度的函數(shù)。

3、應(yīng)力松弛

隨時(shí)間發(fā)生的從彈形應(yīng)變產(chǎn)生的黏塑性變形導(dǎo)致焊料中應(yīng)力減少的現(xiàn)象。

4、焊料蠕變疲勞模型

蠕變疲勞模型是一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型，用來(lái)評(píng)估焊點(diǎn)在經(jīng)歷周期性的蠕變-疲勞條件下的壽命。可靠性測(cè)試的結(jié)果，產(chǎn)品的可靠性和加速系數(shù)可以用Engelmaier-Wild模型或其他已驗(yàn)證的適用模型來(lái)估算。

在Engelmaier-Wild焊點(diǎn)疲勞模型中，用變量疲勞性指數(shù)定義了曲線的特征斜率，該曲線把焊料的疲勞壽命與循環(huán)黏塑性應(yīng)變能量聯(lián)系起來(lái)。相比于無(wú)蠕變金屬確定的Coffin-Manson方程中的不變指數(shù)，變量疲勞性延展性指數(shù)是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定的，并且是時(shí)間和溫度的函數(shù)。

5、不均勻熱膨脹

 在smt加工廠產(chǎn)品工作或可靠性測(cè)試中，因溫度變化而產(chǎn)生的不同材料之間的熱膨脹和收縮差異，稱之不均勻熱膨脹。熱膨脹或收縮的程度用材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）來(lái)衡量。公認(rèn)的不均勻熱膨脹形式有兩種。

（1）“整體”熱膨脹失配：smt加工廠的元器件和基板之間的熱膨脹失配。

（2）“局部”熱膨脹失配：smt加工廠的材料本身和其要焊接的材料之間的熱膨脹失配。

    1.  加速可靠性測(cè)試

加速測(cè)試是通過(guò)加速所關(guān)注的使用條件下的某種失效機(jī)理面導(dǎo)致產(chǎn)品在比實(shí)際使用壽命更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效。雖然加速測(cè)試結(jié)果來(lái)自較短的循環(huán)周期成更惡劣的載荷條件，但必須避免其他無(wú)關(guān)的失效機(jī)理。產(chǎn)品的服務(wù)壽命可以通過(guò)合適的加速因子來(lái)評(píng)估。

2.  溫度循環(huán)(也稱熱循環(huán))

組件暴露在周期性的溫度變化過(guò)程中，溫度變化率足夠慢以避免熱沖擊(通常< 20ºC/min。)

溫度循環(huán)的最高溫度應(yīng)比pcb板材的玻璃化溫度(T)值低25C。

必須注意的是，當(dāng)溫度循環(huán)的溫度在-20ºC以下或110ºC以上，或同時(shí)包含上述兩種情況時(shí)，對(duì)錫鉛焊接連接可能產(chǎn)生不止一種損傷機(jī)理。這些機(jī)理傾向于彼此相互加速促進(jìn)，從而導(dǎo)致早期失效。

3.  熱沖擊

當(dāng)組件暴露在溫度快速變化的條件(在零1組件內(nèi)引起隨時(shí)溫度梯度、翹曲以及應(yīng)力)時(shí)會(huì)發(fā)生熱沖擊。熱沖擊的溫度變化率通常大于20C:/min。

4.  功率循環(huán)

對(duì)于經(jīng)常被接通/斷開電源的電子元器件而言，功率循環(huán)測(cè)試可能比溫度循環(huán)測(cè)試更能夠準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)場(chǎng)使用條件。

溫度循環(huán)測(cè)試溫度曲線（見下圖）

參數(shù)

（1）循環(huán)溫度范圍/幅度：在產(chǎn)品工作或溫度循環(huán)測(cè)試過(guò)程中最高與最低溫度的差異。見上圖和表1-7、表1-8。

（2）樣品溫度（T_s）:溫度循環(huán)期間的樣品溫度，通過(guò)黏附于或埋入樣品的熱電偶或等效的溫度測(cè)試儀器來(lái)測(cè)量。在連接方法中使用的熱電偶或等效的溫度儀器應(yīng)該確保樣品整體都能夠達(dá)到溫度極限和停留/保溫要求。

    （3）最高樣品溫度T_s（max）:測(cè)量得到的樣品所經(jīng)受最高溫度。

（4）最高標(biāo)稱溫度T_（max）:具體測(cè)試條件下的最高標(biāo)稱溫度是所要求的最高樣品溫度。

（5）最低樣品溫度T_s（min）:測(cè)量得到的樣品所經(jīng)受最低溫度。

（6）最低標(biāo)稱溫度T_（min）:具體測(cè)試條件下的最低標(biāo)稱溫度是所要求的最高樣品溫度。

（7）停留/浸泡時(shí)間T_o:樣品溫度在規(guī)定的最高標(biāo)稱溫度或最低標(biāo)稱溫度及其允許溫度范圍內(nèi)的總時(shí)間。停留時(shí)間對(duì)加速測(cè)試尤為重要，因?yàn)樵诩铀贉y(cè)試中蠕變過(guò)程尚未充分完成。停留過(guò)程允許修正不充分的蠕變效應(yīng)，因?yàn)楫a(chǎn)品在工作條件下的溫度循環(huán)通常都足夠長(zhǎng)以允許在每個(gè)循環(huán)停留中蠕變過(guò)程都是完整的。

（8）停留/保溫溫度:高于循環(huán)頂部最高標(biāo)稱溫度或低于循環(huán)低部最低標(biāo)稱溫度的溫度。  （9）循環(huán)時(shí)間:一個(gè)完整溫度循環(huán)的設(shè)計(jì)如圖1-91所示。

（10）溫度斜率:樣品在單位時(shí)間內(nèi)溫度上升或下降的速度。應(yīng)該在溫度曲線的線性部分測(cè)量溫度斜率, 即通過(guò)在具體測(cè)試溫度范圍的10%~ 90%之間測(cè)量。

  注意:斜率與負(fù)載有關(guān)，加上被測(cè)試負(fù)載后，應(yīng)該對(duì)斜率進(jìn)行驗(yàn)證。

   表面組裝產(chǎn)品類型和最惡劣使用環(huán)境見表1-7。

   在強(qiáng)制條件的強(qiáng)制與首選測(cè)試參數(shù)見表1-8。 

能夠替代試驗(yàn)驗(yàn)證的焊點(diǎn)可靠性評(píng)估的分析與計(jì)算模型還沒有完整地建立起來(lái)。因此，元器件的終端用戶越來(lái)越多地利用試驗(yàn)和計(jì)算的焊點(diǎn)可靠性理論來(lái)估算實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)壽命。

需要考慮兩個(gè)加速因子。

( 1 ) AF (N):與焊點(diǎn)的循環(huán)疲勞壽命有關(guān)，在給定的使用環(huán)境中產(chǎn)品壽命的測(cè)試中獲得。

( 2) AF (MTTF):與焊點(diǎn)的失效時(shí)間有關(guān)，在給定的使用環(huán)境中產(chǎn)品壽命的測(cè)試中獲得。

根據(jù)失效周期，加速因子可表示為

AF (N)=N_f(產(chǎn)品)/N_f(測(cè)試)

公式中:N_f(產(chǎn)品)是使用中產(chǎn)品的平均疲勞壽命，N_f (50%)。N_f(測(cè)試)是測(cè)試模擬產(chǎn)品的測(cè)試板的平均疲勞壽命，N_f(50%)。

根據(jù)失效時(shí)間，加速因子可表示為

AF (MTTF)=AF (N)f產(chǎn)品)/f測(cè)試)

公式中:f(測(cè)試)為測(cè)試的循環(huán)數(shù)，f(產(chǎn)品)為使用中的循環(huán)數(shù)。

給定元器件組件在四種測(cè)試條件和四種典型使用條件下的平均疲勞壽命與加速因子見表1-9。

 所有加速試驗(yàn)的關(guān)鍵是獲得加速因子，根據(jù)加速因子求得使用環(huán)境下的壽命。所謂模型，即試驗(yàn)因子的計(jì)算公式或表格。

工作中需要掌握:

( 1 )通過(guò)試驗(yàn)預(yù)測(cè)壽命。

(2 )通過(guò)試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)失效。

(3 )通過(guò)試驗(yàn)暴露不良與短板。

(4 )通過(guò)試驗(yàn)了解性能。

有鉛焊點(diǎn)經(jīng)歷了數(shù)十年的理論積累，其疲勞、蠕變性能已有深人認(rèn)識(shí)，已經(jīng)形成了被廣泛認(rèn)可的疲勞壽命模型，如MansonCoffi Nrris-Landzberg等模型;AT&T Bell Lan等機(jī)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行了修正，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命。

而無(wú)鉛焊點(diǎn)在疲勞、蠕變甚至結(jié)晶等諸多方面表現(xiàn)出了差異：蠕變速率較慢(見圖1-92)，甚至隨時(shí)間而變；ATC的疲勞壽命數(shù)據(jù)差異極大，與老化條件、Dwell time、焊點(diǎn)尺寸等非常敏感，甚至SAC387與SAC305之間的差異也超出人們的預(yù)期。問題似乎與SAC的非共品結(jié)品特性、Sn的各向異性生長(zhǎng)(見圖1-93 )、不同尺寸焊點(diǎn)的過(guò)冷情況等有關(guān)，但仍需要更多的探索。

UIC、Cisco、Intel等機(jī)構(gòu)對(duì)有鉛無(wú)鉛混裝焊點(diǎn)的工藝與可靠性的長(zhǎng)期研究表明，混裝焊點(diǎn)的可靠性仍然低于有鉛焊點(diǎn)，見圖1-95所示。