CN102708233B - 一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法 - Google Patents

一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,它有五大步骤:一、建立数值分析模型,计算获得应力状态;二、建立并分析工艺前模型,获得工艺前可靠性数值;三、抽样检验,定量评价;四、建立并分析工艺后模型,获得工艺后可靠性数值;五、可靠性数值处理,评估工艺可靠性。本发明可以有效评估表面安装工艺的可靠性实现能力水平,解决了工艺可靠性实现能力评估方法缺失问题;此方法采用了简单的抽样检验方法,并采用便于检验的外形参数进行表面安装工艺可靠性实现能力的计算评价,便于工程实施。

Description

一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法
(一)技术领域
本发明涉及一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,它利用抽样检验、仿真分析和基于失效物理模型评估等方法,可用于评估和控制表面安装工艺的可靠性实现能力水平,属于电子产品工艺控制和可靠性工程技术领域。
(二)背景技术
表面安装工艺是将表贴元器件通过焊接的方法连接到电路基板的工艺,该工艺的目的是实现并保证表贴元器件与电路的物理连接,属于互连技术。在所有互连技术中,表面安装技术的工艺质量要求较高。在实际生产和使用中,表面安装工艺所造成的连接失效在所有连接失效中也占有较大的比例。故表面安装工艺的可靠性实现能力已成为影响电子产品可靠性尤其是连接可靠性的最主要因素之一。另一方面,产品的设计需要通过具体工艺予以实现,设计可靠性和工艺对可靠性实现能力一同决定了产品的可靠性水平。故欲控制和提高产品的可靠性水平,必须对工艺的可靠性实现能力进行评价,了解工艺状态对产品可靠性水平的影响。综上,正确评估表面安装工艺的可靠性实现能力水平,对提高电子产品的可靠性水平有着非常重要的意义。
为更为准确地评估产品可靠性水平,基于失效物理模型的寿命评估及预测方法在可靠性工程中正得到逐步应用。而通过仿真分析(如有限元分析),可以将高级产品(如整个电子设备或电路板)的环境应力状态转换到低层次产品。在此基础上,结合失效物理的评估方法,就可以得到较低层次产品连接部位的可靠性评价值。但仿真分析中某些假设与实际生产的情况并不一致,在建模时需要通过检验获得二者的偏差数值。故可对实际产品进行抽样检验,将检验的结果用于仿真分析。同时依靠失效物理模型再次进行寿命评估及预测,就可以获得工艺实现后可靠性的评估结果。若假定产品最终的可靠性水平是由设计可靠性和工艺的可靠性实现能力共同决定的,则可以把单纯考虑设计和同时考虑设计、工艺实现两种状态下的可靠性的比值作为工艺的可靠性实现的能力的定量描述。
(三)发明内容
1、目的:本发明的目的是提供一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法。它首先使用数值仿真分析获得表面安装工艺产品连接部位的应力状态数值;然后利用应力状态数值和抽样检验,分别建立工艺前后模型,并通过基于失效物理模型的评估方法,计算得到表面安装工艺产品连接部位在工艺实现前后的可靠性数值;最终对比工艺前后可靠性评估数值,评估表面安装工艺的可靠性实现能力水平。
2、技术方案:本发明一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,该方法具体步骤如下:
步骤1:建立数值分析模型,计算获得应力状态:利用表面安装工艺对象的设计信息,建立对应的数值分析模型,计算获得表面安装工艺对象的应力状态数值。
步骤2:建立并分析工艺前模型,获得工艺前可靠性数值:利用表面安装工艺对象的设计信息,建立工艺前模型。利用表面安装工艺对象的应力状态数值和工艺前模型,通过基于失效物理模型的评估方法,获得在工艺实现前仅考虑设计时的连接部位的可靠性数值。
步骤3:抽样检验,定量评价:对已完成表面安装工艺的产品进行抽样检验,对抽样产品的所有连接部位的外形进行定量评价,获得表征工艺质量状态的评估参数。
步骤4:建立并分析工艺后模型,获得工艺后可靠性数值:利用表征工艺质量状态的评估参数,修改工艺前模型,得到工艺后模型。利用表面安装工艺对象的应力状态和工艺后模型,通过基于失效物理模型的评估方法,获得表面安装工艺实现后的产品连接部位的可靠性数值。
步骤5:可靠性数值处理,评估工艺可靠性:处理安装工艺加工后产品连接部位的可靠性数值,并通过与工艺实现前仅考虑设计时的连接部位的可靠性数值的计算,获得表面安装工艺的可靠性实现能力的评估数值。
其中,步骤1中所述的表面安装工艺对象的设计信息,包括电子元器件的封装信息、电路基板的设计参数、电路板上元器件布局以及各部分的材料属性等。所述的数值分析模型是指使用数值仿真分析软件建立的数值分析模型。对于不同应力类型,可采用不同的数值分析软件建立对应的数值分析模型。如对于机械应力,可使用ANSYS、NASTRAN和ABAQUS等常用数值分析软件建立FEA模型;对于热应力,可使用ANSYS、FloTHERM等常用数值分析软件建立CFD模型。所述的表面安装工艺对象的应力状态数值即为表面安装工艺对象的物理状态数值。如对于振动应力,应力状态即可表示为表面安装工艺对象的振动位移或加速度数值;对于热应力,应力状态数值即可表示为表面安装工艺对象的温度数值。
其中,在步骤2中所述的工艺前模型包含元器件的设计信息(包括元器件尺寸和元器件重量)、表面安装工艺设计信息(包括工艺设计中的焊点高度、焊料润湿面积)。利用已建立的工艺前模型,通过基于失效物理模型的评估方法,获得在工艺实现前仅考虑设计时的连接部位的可靠性数值。对于不同的连接对象和环境条件,对应的连接失效模式可能不同。故可针对主要的失效模式,对其进行该失效模式下的应力计算和失效前时间预测。所述的基于失效物理模型的评估方法是指采用已被普遍使用的、与表面安装相关的、包含应力状态数值与失效前时间关系的失效物理公式。现有表面安装连接相关的失效物理模型包括:Coffin-Mason模型(用于预测热疲劳失效)、Steinberg的位移模型(用于预测冲击失效)、Steinberg的疲劳模型(用于预测随机振动失效)等。将数值仿真分析获得的应力状态数值带入上述公式,即可获得所有连接部位的失效前时间。步骤2中所述的工艺实现前仅考虑设计时的产品连接部位的可靠性数值,是指利用工艺前模型并通过分析失效物理模型推算得到的连接部位失效前时间。假定分析对象共包含m个连接部位,则可记第j个连接部位的失效前时间分别为t0j(其中j=1,2,3…,m)。
其中,在步骤3中所述的抽样检验是指对已经完成表面安装工艺的产品进行按比例的随机抽取,对抽取产品的所有连接部位的外形进行定量评价。所述的定量评价是指通过直接测量(如目视量取)或间接测量(如利用X光机成像量取),获得连接部位评估对象的测量数值。测量数值包括焊点高度和焊料润湿面积。步骤3中的定量评价需依照相关标准(如GJB3835-1999《表面安装印制板组装件通用要求》、行业标准IPC SM 782-1993《表面贴焊盘设计标准》)进行。
其中,在步骤4中所述的修改工艺前模型是指利用步骤3中获得的表征工艺质量状态的评估参数,修改步骤2中获得的工艺前模型中的表面安装工艺设计信息。即根据实际测量结果对工艺前模型中的焊点高度、焊料润湿面积等数值进行修改。所述的工艺后模型是即为对工艺前模型进行修改后得到的模型。针对每一个完成表面安装工艺的电路板的实际测量结果都应建立单独的工艺后模型,即对于抽取的n个样本,分别对工艺前模型进行n次修改,得到n个工艺后模型。步骤4中所述的应力状态数值与步骤2中应力状态数值相同。步骤4中所述的基于失效物理模型的评估方法和可靠性数值与步骤2中的定义相同。通过上述工艺后模型,利用基于失效物理模型的评估方法,最终可计算得到安装工艺加工后产品连接部位的失效前时间。由于上述存在n个工艺后模型,此时也应得到n组抽样样本的失效前时间向量,可记为t1,t2,…,tn。其中每一个向量共包含m个连接部位的失效前时间,即第i组抽样样本失效前时间向量可表示为ti=(ti1,ti2,…,tim)T。式中tij表示第i组中的第j个连接部位的失效前时间。
其中,在步骤5中所述的安装工艺加工后产品连接部位的可靠性数值的处理是指对获得的N组工艺后模型的失效前时间向量t1,t2,......,tn进行统计处理,求出安装工艺加工后每一个连接部位的失效前时间均值和方差,即对第j个连接部位有均值E(tij)和方差Var(tij)
E ( t ij ) = t ‾ j = 1 n × Σ i = 1 n t ij , Var ( t ij ) = 1 n - 1 × Σ i = 1 n ( t ij - t ‾ j ) 2
步骤5所述的处理后的安装工艺加工后产品连接部位的可靠性数值与工艺实现前仅考虑设计时的产品连接部位的可靠性数值的计算是指按照如下步骤进行的计算:
首先计算获得第j个连接部位的工艺前后失效时间比和工艺后失效时间标准差
E pj = E ( t ij ) t oj , D pj = Var ( t ij ) E ( t ij )
式中,Epj为第j个连接部位的工艺前后失效时间比,无量纲。
Dpj为第j个连接部位的工艺后失效时间标准差,无量纲。
在完成单个连接部位上述参数的计算后,再通过如下计算获得m个连接部位的工艺前后失效时间比和工艺后失效时间标准差的平均值
E p = 1 m × Σ j = 1 m E pj , D p = 1 m × Σ j = 1 m D pj
式中,Ep为平均工艺前后失效时间比,无量纲。
Dp为平均工艺后失效时间标准差,无量纲。
其中,Ep可以用作表征工艺对设计可靠性目标的实现能力,在假定设计可靠性和工艺可靠性为串联关系的前提下,可作为工艺可靠性中心状态的衡量参数。而Dp可以用作表征工艺对设计可靠性的离散能力,可作为工艺可靠性离散状态的衡量参数。Ep值越接近1,Dp值越接近0,则说明表面安装工艺的可靠性实现能力越强。步骤5中的所述的可靠性实现能力的评估数值就是指计算结果平均工艺前后失效时间比Ep和平均工艺后失效时间标准差Dp的数值。
3、优点及功效:本发明提供一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,其优点主要有:
(1)可以有效评估表面安装工艺的可靠性实现能力水平,解决了工艺可靠性实现能力评估方法缺失问题;
(2)此方法采用了简单的抽样检验方法,并采用便于检验的外形参数进行表面安装工艺可靠性实现能力的计算评价,便于工程实施。
(四)附图说明
图1为本发明实施方案流程图。
图2为表贴元器件焊接相关设计参数(焊点高度)示意图。
图3为表贴元器件焊接相关设计参数(焊盘尺寸和焊接润湿面积)示意图。
图4为工艺前模型中电路板布局示意图。
图5为电路板工作温度循环示意图。
图中标号及符号说明如下:
E表示焊点高度;
X表示焊盘尺寸长;
Y表示焊盘尺寸宽。
(五)具体实施方式
下面将结合图1和某表面安装工艺,对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示,为本发明方法的实施步骤流程示意图,针对某表面安装工艺,定量评估该工艺的可靠性实现能力。
(1)首先选择某表面安装工艺。该工艺需将若干表贴电阻和表贴电容以及其它元器件,通过表面安装连接到同一块电路板上。需要安装的表贴电阻和表贴电容封装类型、外形尺寸及坐标如表1所示,其中C代表表贴电容,N代表集成电路,R代表标贴电阻。
在材料参数方面,电路板基板采用材料为FR-4,对应热膨胀系数为1.749876e-005/℃。表贴元器件材料均为封装用陶瓷,对应热膨胀系数为9.200000e-006/℃。
表1 元器件封装、位置、尺寸及功耗信息
Figure BDA0000156754600000051
Figure BDA0000156754600000061
对于表贴电容和表贴电阻焊接相关设计参数如下表所示,该设计参考国军标GJB3243-1998《电子元器件表面安装要求》和行业标准IPC SM 782-1993《表面贴焊盘设计标准》,上述参数具体定义见图2和图3。
使用常用的数值分析软件FloTHERM 9.0,建立热应力分析所需的CFD模型,整个电路板模型布局如图4所示。电路板主要工作在30℃到70℃的高温循环环境,如图5所示。具体温度变化为:低温持续工作1小时,然后匀速升温1小时至70℃,高温持续工作1小时,再匀速降温1小时至30℃,如此循环。对上述CFD模型进行数值分析,得到电路温度在30℃和70℃环境温度下的各元器件外壳和基板的热应力如表2和表3所示。
表2 环境温度30℃下元器件外壳温度和基板温度
表3 环境温度70℃下元器件外壳温度和基板温度
(2)利用工艺前模型包含元器件的设计信息、表面安装工艺设计信息和步骤1中获得的表面安装工艺对象的应力状态数值,建立工艺前模型。在工艺前模型建立过程中,应补充的表面安装工艺设计信息如表4所示。
表4 表贴元器件焊接设计参数
Figure BDA0000156754600000072
对工艺前模型进行分析,预测工艺前模型中表面安装连接的热疲劳失效前时间。预测中需要依据损伤Coffin-Mason模型公式和损伤累积模型公式进行计算。对于表贴型元器件,Coffin-Mason模型公式如下:
ΔF = CF L D βh ΔαΔT
其中,C为内部校正常数,取0.1;
F为经验修正系数,取0.8;
LD为元器件有效长度,对于表贴元器件取外形尺寸的1/2,单位为毫米(mm);
ΔαΔT为元器件热应力差值,由ΔαΔT=ΔαCΔTC-ΔαSΔTS计算得出。αC、αS分别为元器件外壳和基板材料热膨胀系数,单位为每摄氏度(/摄氏度)。ΔTC和ΔTS为元器件外壳和基板温度变化值,单位为摄氏度(℃);
h为焊点高度,单位为毫米(mm);
β为浸润面积比,即实际焊料浸润焊盘面积的百分比,理想值为1。
损伤累积模型公式如下:
N f = 1 2 ( Δγ 2 ϵ f ) 1 C
其中,Nf为元器件平均失效前循环次数。示例中一个温度循环持续时间为4小时;
Δy为焊点所受剪切应力范围,单位为兆帕(MPa);
εf为疲劳延伸系数,对于低熔点焊点为常数0.325;
c为疲劳延伸指数,对于低熔点焊点可由下式计算得出:
c = - 0.442 - ( 6 × 10 - 4 ) T sf + 1.74 × 10 - 2 ln ( 1 + 6 t d )
其中,TSJ为循环平均温度,计算单位为摄氏度(℃);
td为循环中高温持续时间,单位为小时(h)。
利用上述模型计算得到各连接部位热疲劳失效前时间。1个表贴元器件有2个连接部位。连接部位与元器件归属关系及其预测失效前时间如表5所示。
表5 工艺前模型中预测的各连接部位失效前时间(单位:小时)
Figure BDA0000156754600000082
(3)对已有2000件完成表面安装工艺的电路板模块进行随机抽取,最终从中抽出10件进行检验。检验主要依靠目检测量进行。通过测量获得抽样产品上所有表贴电阻和标电容的连接部位的所有表征工艺质量的评估参数(焊点高度、实际焊接润湿面积)。上述评估参数与步骤1中建模所选取的所有设计参数相对应。最终检验结果如表6~9所示。
表6 表贴电容焊点高度检验结果(单位:毫米)
Figure BDA0000156754600000083
Figure BDA0000156754600000091
表7 表贴电容焊接浸润面积(单位:平方毫米)
Figure BDA0000156754600000092
表8 表贴电阻焊点高度检验结果(单位:毫米)
表9 表贴电阻焊接浸润面积(单位:平方毫米)
Figure BDA0000156754600000102
Figure BDA0000156754600000111
(4)根据上述检验结果,对原有工艺前模型中的元器件参数进行修正,建立10组工艺后模型。利用与步骤2相同的公式,预测出10组工艺后模型的热疲劳失效前时间。预测结果如表10所示。
表10 抽样后工艺后模型预计热疲劳失效前时间(单位:小时)
Figure BDA0000156754600000112
Figure BDA0000156754600000121
(5)根据步骤4中获得28组实际加工后连接部位热疲劳失效前时间tij,计算其均值E(tij)和方差Var(tij),计算结果如表11所示。利用同一连接部位在安装工艺加工后的产品连接部位的失效前时间和工艺实现前仅考虑设计时的产品连接部位的失效前时间,计算得到第j个连接部位的工艺前后失效时间比Epj和工艺后失效时间标准差Dpj,计算结果见表11。对所有Epj和Dpj进行合并计算其平均得到得平均工艺前后失效时间比Ep和平均工艺后失效时间标准差Dp。最终获得此表面安装工艺的可靠性实现水平评估数值为Ep=0.941,Dp=0.074。
表11 工艺可靠性数值处理结果(单位:小时)
Figure BDA0000156754600000131

Claims (7)

1.一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,其特征在于:该方法具体步骤如下:
步骤1:建立数值分析模型,计算获得应力状态:利用表面安装工艺对象的设计信息,建立对应的数值分析模型,计算获得表面安装工艺对象的应力状态数值;
步骤2:建立并分析工艺前模型,获得工艺前可靠性数值:利用表面安装工艺对象的设计信息,建立工艺前模型;利用表面安装工艺对象的应力状态数值和工艺前模型,通过基于失效物理模型的评估方法,获得在工艺实现前仅考虑设计时的连接部位的可靠性数值;
步骤3:抽样检验,定量评价:对已完成表面安装工艺的产品进行抽样检验,对抽样产品的所有连接部位的外形进行定量评价,获得表征工艺质量状态的评估参数;
步骤4:建立并分析工艺后模型,获得工艺后可靠性数值:利用表征工艺质量状态的评估参数,修改工艺前模型,得到工艺后模型;利用表面安装工艺对象的应力状态和工艺后模型,通过基于失效物理模型的评估方法,获得表面安装工艺实现后的产品连接部位的可靠性数值;
步骤5:可靠性数值处理,评估工艺可靠性:处理安装工艺加工后产品连接部位的可靠性数值,并通过与工艺实现前仅考虑设计时的连接部位的可靠性数值的计算,获得表面安装工艺的可靠性实现能力的评估数值。
2.根据权利要求1所述的一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,其特征在于:步骤1中所述的表面安装工艺对象的设计信息,包括电子元器件的封装信息、电路基板的设计参数、电路板上元器件布局以及各部分的材料属性;所述的数值分析模型是指使用数值仿真分析软件建立的数值分析模型;对于不同应力类型,采用不同的数值分析软件建立对应的数值分析模型;所述的表面安装工艺对象的应力状态数值即为表面安装工艺对象的物理状态数值。
3.根据权利要求1所述的一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,其特征在于:步骤2中所述的工艺前模型包含元器件的设计信息和表面安装工艺设计信息;所述的基于失效物理模型的评估方法是指现有的与表面安装相关的、包含应力状态数值与失效前时间关系的失效物理公式;现有表面安装连接相关的失效物理模型包括:Coffin-Mason模型、Steinberg的位移模型、Steinberg的疲劳模型;将数值仿真分析获得的应力状态数值带入上述公式,即获得所有连接部位的失效前时间;所述的工艺实现前仅考虑设计时的产品连接部位的可靠性数值,是指利用工艺前模型并通过分析失效物理模型推算得到的连接部位失效前时间;假定分析对象共包含m个连接部位,则记第j个连接部位的失效前时间分别为t0j,其中j=1,2,3…,m。
4.根据权利要求1所述的一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,其特征在于:步骤3中所述的抽样检验是指对已经完成表面安装工艺的产品进行按比例的随机抽取,所述的定量评价是指通过直接测量或间接测量,获得评估对象连接部位的外形测量数值;测量数值包括焊点高度和焊料润湿面积;定量评价依照相关标准进行。
5.根据权利要求1所述的一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,其特征在于:步骤4中所述的修改工艺前模型是指利用步骤3中获得的表征工艺质量状态的评估参数,修改步骤2中获得的工艺前模型中的表面安装工艺设计信息,即根据实际测量结果对工艺前模型中的焊点高度、焊料润湿面积数值进行修改;所述的工艺后模型是对工艺前模型进行修改后得到的模型,针对每一个完成表面安装工艺的电路板的实际测量结果都应建立单独的工艺后模型,即对于抽取的n个样本,分别对工艺前模型进行n次修改,得到n个工艺后模型;所述的应力状态数值与步骤2中应力状态数值相同;所述的基于失效物理模型的评估方法和可靠性数值与步骤2中的定义相同;通过上述工艺后模型,利用基于失效物理模型的评估方法,最终计算得到安装工艺加工后产品连接部位的失效前时间;由于上述存在n个工艺后模型,此时也应得到n组抽样样本的失效前时间向量,记为t1,t2,…,tn;其中每一个向量共包含m个连接部位的失效前时间,即第i组抽样样本失效前时间向量表示为ti=(ti1,ti2,…,tim)T;式中tij表示第i组中的第j个连接部位的失效前时间。
6.根据权利要求1所述的一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,其特征在于:步骤5中所述的安装工艺加工后产品连接部位的可靠性数值的处理是指对获得的N组工艺后模型的失效前时间向量t1,t2,……,tn进行统计处理,求出安装工艺加工后每一个连接部位的失效前时间均值和方差,即对第j个连接部位有均值E(tij)和方差Var(tij)
E ( t ij ) = t ‾ j = 1 n × Σ l = 1 n t ij , Var ( t ij ) = 1 n - 1 × Σ l = 1 n ( t ij - t ‾ j ) 2 .
7.根据权利要求1所述的一种适用于表面安装工艺的可靠性实现能力评估方法,其特征在于:步骤5所述的处理后的安装工艺加工后产品连接部位的可靠性数值与工艺实现前仅考虑设计时的产品连接部位的可靠性数值的计算,是按照如下步骤进行的:
首先计算获得第j个连接部位的工艺前后失效时间比和工艺后失效时间标准差
E pj = E ( t ij ) t 0 j , D pj = Var ( t ij ) E ( t ij )
式中,Epj为第j个连接部位的工艺前后失效时间比,无量纲;
Dpj为第j个连接部位的工艺后失效时间标准差,无量纲;
t0j表示为第j个连接部位的失效前时间;
在完成单个连接部位上述参数的计算后,再通过如下计算获得m个连接部位的工艺前后失效时间比和工艺后失效时间标准差的平均值
E p = 1 m × Σ j = 1 m E pj , D p = 1 m × Σ j = 1 m D pj
式中,Ep为平均工艺前后失效时间比,无量纲;
Dp为平均工艺后失效时间标准差,无量纲;
其中,Ep用作表征工艺对设计可靠性目标的实现能力,在假定设计可靠性和工艺可靠性为串联关系的前提下,作为工艺可靠性中心状态的衡量参数;而Dp用作表征工艺对设计可靠性的离散能力,作为工艺可靠性离散状态的衡量参数;Ep值越接近1,Dp值越接近0,则说明表面安装工艺的可靠性实现能力越强;所述的可靠性实现能力的评估数值就是指计算结果平均工艺前后失效时间比Ep和平均工艺后失效时间标准差Dp的数值。
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