在各类武器系统产品研制和生产环节中，环境应力筛选是确认其电子产品部件可靠性的一种必要手段。本文从实际产品应用出发，阐述了环境应力筛选中各失效（机械应力失效及热应力失效）的作用机理及实例分析，并结合失效实例给出通用的问题处理方案。

电子产品环境应力筛选是在产品上施加随机振动及温度循环应力，以鉴别和剔除由产品工艺和元器件潜在缺陷引起的早期故障的一种工序和方法。GJB 10322《电子产品环境应力筛选方法》等对筛选要求、筛选过程管理、筛选应力条件和工作流程等做出了明确的规定，用于指导承制单位开展环境应力筛选，军事代表室据此实施筛选过程的监督工作[1]。

目前，电子元器件因环境应力而出现的失效类别有两种，一是机械应力失效，二是热应力失效。电子产品环境应力筛选则是主要考虑随机振动中出现的机械应力失效。

图 1为一款专用ASIC电路，采用陶瓷外壳封装，通过底部176根直径0.45 mm的引线与外部进行电气及机械连接。该电路在经历板级筛选试验（随机振动）后输出异常，经X-ray检测发现两个端口对应的内部键合丝存在接触短路异常，同时部分键合丝存在轻微扭曲变形，详见图 2。

图1：电路外形图（上）

图2：键合丝变形（下）

经分析，该电路采用30 μm金丝键合，键合丝跨度4.50 mm。产品1阶模态频率约2 100.2 Hz，接近随机振动频率范围上限2 000 Hz，可能会导致键合丝整体发生较大的振幅，甚至出现共振风险。调取电路板级试验前X射线照片，发现其两个端口键合丝距离因其他原因已经非常接近。加上在板级随机振动时，键合丝发生的较大振幅，最终使两根键合丝短接并导致电路输出异常。

为避免该现象再次发生，后续严格控制键合丝的跨度，并对大跨径比（键合丝宽度/键合丝直径）的键合丝进行振动幅度仿真分析。具体规则为：当跨径比不大于100时，可直接执行；在跨径比在100~120之间时需进行仿真分析。

图 3为一款专用SiP电路，采用金属外壳封装，通过底部10根直径0.45 mm的引线与外部进行电气及机械连接，电路总重量达68 g。该电路在随组件随机振动中出现失效。失效现象为引线依次断裂，电路整体与组件脱离并飞出组件。该电路的实际使用条件远远恶劣于产品的考核条件。以实际随机振动条件进行仿真分析后确认：产品引线处受到的最大应力已经超过产品引线材料的耐受应力极限。在此条件下，电路引线很快达到疲劳极限，直接发生断裂。

为解决该问题，为电路设计了一款专用卡扣，在固定电路本体的同时，增加电路整体焊接引线数。卡扣及仿真结果如图 3下方所示。增加卡扣后，电路随组件再次进行随机振动试验，问题得到解决。

图3：电路外形图（上）

电路卡扣及仿真结果（下）

微电子产品的失效率随温度的升高呈指数增长，微电子产品的工作温度每升高10 ℃，其失效率增加一倍。据统计，55 %的电子产品失效是由于温度过高引起的，热失效已经成为电子产品封装的主要失效形式之一[3]。热应力失效环节包括温度循环、热冲击、老炼、寿命等环节。所有这些试验均存在高温或者低温的极限工作情况。

从物理上看，电子封装结构是电子元器件实现电子电路功能的物理载体，发生热应力失效的机理为：使用过程中由于温度分布不均以及热膨胀系数不匹配，在封装结构内形成热应力场，当热应力大于材料失效临界值时，便导致电子封装内部出现裂纹、分层等缺陷[4]。

陶瓷外壳是目前军用单片电路中应用非常广泛的外壳之一。常见的陶瓷外壳本体一般采用氧化铝陶瓷材料，引线采用铁镍合金4J42或铁镍钴合金4J29，两者之间通过钨合金焊盘、银铜焊料相连。在使用时，一般采用铅锡银等焊料直接将封装引线焊接在PCB板的Cu制PAD上，如图 5所示。各组件材料如表 1所示。

由表 1可知，PCB板材与氧化铝陶瓷、可伐合金等之间存在10倍以上的热膨胀系数差距。而他们之间仅通过焊盘、焊料进行连接，且焊料和焊盘因为厚度原因对应力的缓冲作用有限。因此在图 5的结构中，一旦电路经历高温或者低温环境，电路极易因PCB板材和氧化铝陶瓷之间巨大的热胀冷缩而出现陶瓷拉裂、引线脱离、焊盘拉裂等问题，如图 6所示。

针对上述情况，在高可靠性应用环境，QJ 3171-2003《航天电子电气产品元器件成形技术要求》中第4.4节对扁平封装引线进行了成型要求[5]。成型的目的是增加PCB板材和陶瓷外壳之间的缓冲区间，即中间段的引线。该操作可以使应力在中间段引线、引线倒角得到有效的释放。而各个外壳厂家根据实际的应用情况及工艺经验，一般对陶瓷外壳进行了两种类型的成型处理，如图 7所示。这种成型一般是在管壳制作阶段进行，其好处是不会影响管壳外观，坏处是会增加管壳的制作难度。

此外，器件使用方也会对元器件进行二次成形，如图 8所示。这种二次成形的好处是采用通用元器件产品进行成型，使用灵活多变，但坏处是会带来引线压痕、划伤，影响外观，如图 9所示。典型成型后产品如图 10所示。

图 11为一款采用混合电路微组装工艺制造的混合集成电路，该电路采用JC128-1封装（128引出端陶瓷无引线标贴封装）。该电路在实际使用调试时出现焊接原因导致的器件故障。经工艺验证确认：JC128-1封装因为尺寸较大，对焊接参数要求较为苛刻，引起部分焊点开裂，最终形成开路失效。

JC128-1型陶瓷外壳应用示意及组件材料如图 12及表 2所示。

PCB板与氧化铝陶瓷、可伐合金等之间存在10倍以上的热膨胀系数差距。而对于JC128-1型陶瓷外壳而言，陶瓷与PCB板之间仅通过焊盘、焊料进行连接，且由于JC128-1型外壳焊盘无外引线打弯的结构，单独的焊料和焊盘对应力的缓冲作用有限，一旦电路经历高温或者低温环境，易因PCB板材和氧化铝陶瓷之间巨大的热胀冷缩导致焊料开裂、引线脱离等。为此，设计团队将JC128-1外壳更改为带引线的MCP96A外壳，更改方案及更改后应力分析如图 13所示。

环境应力筛选是剔除电子产品缺陷的一种重要工艺手段。在实际工程中，各类技术人员需要从大量的失效实例中不断积累学习相关技术处理手段，并在满足相关规范标准要求的前提下，探索解决应力失效问题的新的有效手段。