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【摘要】电子封装技术是一项基础制造技术，在现代工业生产中得到越来越广泛的应用。电子封装产品一般用于各种大型电子设备中，它所具备的抗冲击性能对于整个系统的正常运行起到了关键性的作用。下面我们将从电子封装产品的基本结构出发，对处于冲击环境下电子封装产品的可靠性展开研究。
【关键词】电子封装产品；可靠性；冲击环境
【分类号】：TN405.94
电子产品技术发展迅速，电路的集成度大大增加，现在的电子芯片已发展成尺寸小、重量轻、功能强的高技术电子设备，并广泛应用于便携式电子设备、航天设备及武器系统中。然而，基于上述应用背景的电子产品使用环境较一般固定设备的使用环境要复杂、恶劣，其中的冲击环境较为典型，过强的冲击往往引起电子封装产品严重的机械或功能损坏，因此对冲击环境下电子封装产品的可靠性进行研究十分必要。
一、电子封装技术简述
电子封装是指利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素，在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。电子封装具有机械支撑，电器连接，物理保护，外场屏蔽，应力缓和，散热防潮，尺寸过渡，规格化和标准化等多种功能。根据电子封装产品的制造流程、功能和系统结构，大多数电子封装结构可分为四个层次。在电子封装结构中，焊点除作为电气连接的通道外，还在芯片与基板间提供机械连接。电子封装工程发展极为迅速，并且种类繁多、结构多样。在封装形式上有插入封装、表面贴装、混载封装和芯片封装；在基板形式上有单层、双层、多层、复合基板等；在外形结构形式上有DIP、PGA、QFP、BGA、CSP等；在封装材料形式上有金属封装、陶瓷封装、金属一陶瓷封装和塑料封装。随着对高性能、大功率、小型化电子产品要求的不断扩大，电子封装产品正从外引线封装向平面阵列封装趋势发展。
二、冲击环境下电子封装产品的可靠性研究
1、冲击环境试验研究
电子封装产品作为一种精密的高科技产品，往往以核心部件的姿态出现在航空电子设备或武器的电子系统中。为了考核电子封装产品的抗冲击性能，通常需要利用相关的标准进行测试。此处的标准是对若干实测冲击环境数据进行统计等效的办法获得的，而测试则有两重含义：一是考核产品在冲击作用条件下的结构完好性，又称产品的结构强度试验；二是考核产品性能在冲击作用下是否合格，又称产品功能稳定性试验。现在国际上现行的一些主要标准中美国国军标和国际电工委员会提出的“基本环境实验规程国际标准”被广泛采用。
以上测试标准中所涉及的测试方法主要可分为：跌落试验测试和冲击试验测试。跌落试验一般是利用跌落试验机或某种试验机构，将电子封装产品提升到一定高度，然后快速释放，使产品以特定姿态自由下落，并撞击试验规定的靶面。该试验的目的是：模拟电子封装产品在运输和使用过程中的异常跌落情况，并检测在跌落冲击情况下，产品结构、功能的完好性和可靠性，以保证产品具有一定的抗冲击能力。跌落试验中的主要指标有：跌落高度、跌落次数、跌落姿态和特定的跌落撞击靶面。该试验方法的难点主要在于跌落姿态的控制和试验的可重复性。冲击试验是利用冲击试验机，按照基于等效损伤模拟理论所制定的试验标准，对电子封装产品的抗冲击性进行的测试研究。该试验常常用来测量产品或部件的坚固程度或脆值，找出产品或部件发生结构或功能性损坏的临界冲击条件，或测试产品是否能经受某种强度的冲击。冲击试验中的主要指标参数有：冲击波形、加速度幅值、脉宽等。较为常用的冲击机有自由落体式冲击机、非自由落体式冲击机、水平冲击机等。进行冲击试验时，应将产品固定于台面上，尽量使试件的重心与台面几何中心重合且保证连接可靠；冲击过程中，规定幅值、脉宽和冲击波形的脉冲将通过台面传递至台面上产品，从而达到试验测试目的。根据测试结果可对产品的冲击可靠性有一定的认识，并基于此对产品进行合理的改进设计。
2、破坏机理试验研究
在对电子封装产品的破坏机理进行研究时，通常采用冲击试验方法。常用到的测试多为在电路板上贴应变片和加速度计，测量产品上的应变、加速度；在撞击平面安装力传感器来测量撞击力；以及利用高速摄像机来观测撞击的过程。通过前期的测试结果，研究者发现电路板与芯片之间的细小焊点是冲击过程中最容易发生破坏的部位，而对于平面阵列类组装结构来说，一个焊点的破坏往往造成整个器件的失效，最危险的破坏位置往往是器件角处的焊点。对窄带球栅阵列和超微细球栅阵列芯片的焊点可靠性研究发现，冲击过程中芯片的惯性力和电路板的弯曲变形两种因素对焊点的破坏有较大影响。此外，封装产品的自身结构和材料对焊点的破坏也有一定的影响，例如电子封装产品中材料热膨胀系数的非匹配，以WLCSP组装为例，从芯片到基板之间的材料种类有几十种，而每一种材料都有各自的热膨胀系数，在组装、维护及工作过程中，焊点通常经历了复杂的冶金变化和应力、变形过程，从而对焊点失效模式及失效机理产生影响。
研究人员还发现，不同封装结构焊点的破坏模式有不同的行为。对穿孔式封装的焊点，焊点的破坏模式多为焊角起裂；外引线式连接焊点的破坏通常是焊点中空洞的萌生、聚合与长大的结果，空洞的出现与焊料本身的强度关系不大，通过改善工艺一般在焊态可以改善；平面阵列封装结构中焊料球的破坏行为比较复杂，焊料球与基板界面上的金属间化合物（IMC）对于破坏有一定影响，目前研究者大都认为，焊点在组装和工作过程中经历了复杂的冶金变化和应力度形过程，因此将难以避免在焊点与金属接点间生成金属间化合物，该物质会降低焊点的力学完整性。目前焊料分为含铅焊料和无铅焊料两大类。大多数焊料的电性能、物理性能和部分力学性能以及相应的焊接工艺，在最近的十多年中己得到较深入的研究，而焊料的动态力学特性研究则相对开展较少。
三、冲击环境下电子封装产品的防护
对冲击环境下电子产品的响应规律有了一定的认识后，为了确保其在冲击环境下的可靠性，需在电子封装产品的设计和加工阶段考虑有效的防护措施。现阶段应用比较广泛的措施是给产品设计一个保护箱，然而保护箱主要用于产品的运输和储存，且成本高、体积大，故研究人员开始考虑利用电子线路中的灌封材料，对产品进行冲击缓冲防护。吴晓莉等从能量吸收和应力波传播两方面研究了高冲击下电子线路灌封材料的缓冲机理及材料的选用原则洲，并提出了增强电子封装产品抗冲击性的相应措施：选用抗高过载的元器件；元器件在电路上采用合理的布局，质量分布均匀，质心最好位于几何中心，以减小运动过程中所受的离心过载；为防止断线、断脚或拉脱焊点等故障，对质量大的元器件及印刷电路板应采用固定结构，将导线线束及电缆绑扎，并分段固定；灌封材料应具有良好的工艺，要保证灌封质量；电子产品采用灌封材料和缓冲弹簧组成的二级缓冲结构设计。
四、总结
总的来说，电子封装产品一般用于大型的电子产品中，所处环境较为复杂，做好对其稳定性也会造成一定的影响。本文我们以冲击环境为例，通过对电子封装产品基本结构的分析和冲击环境下电子封装产品可靠性研究，同时好介绍了冲击环境下电子封装产品的防护措施，希望在未来的发展中对电子封装产品的设计改进和防护带来有益的指导，确保电子封装产品的安全稳定性能。
参考文献：
[1]孙鹏. 电子封装中无铅焊点的界面演化和可靠性研究[D].上海大学，2008.
[2]董广成. 高温电子封装界面失效分析及可靠性研究[D].天津大学，2009.
[3]颜秀文，丘泰，张振忠. 无铅电子封装材料及其焊点可靠性研究进展[J]. 电子元件与材料，2006，03：5-8.
【关键词】电子封装产品；可靠性；冲击环境
【分类号】：TN405.94
电子产品技术发展迅速，电路的集成度大大增加，现在的电子芯片已发展成尺寸小、重量轻、功能强的高技术电子设备，并广泛应用于便携式电子设备、航天设备及武器系统中。然而，基于上述应用背景的电子产品使用环境较一般固定设备的使用环境要复杂、恶劣，其中的冲击环境较为典型，过强的冲击往往引起电子封装产品严重的机械或功能损坏，因此对冲击环境下电子封装产品的可靠性进行研究十分必要。
一、电子封装技术简述
电子封装是指利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素，在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。电子封装具有机械支撑，电器连接，物理保护，外场屏蔽，应力缓和，散热防潮，尺寸过渡，规格化和标准化等多种功能。根据电子封装产品的制造流程、功能和系统结构，大多数电子封装结构可分为四个层次。在电子封装结构中，焊点除作为电气连接的通道外，还在芯片与基板间提供机械连接。电子封装工程发展极为迅速，并且种类繁多、结构多样。在封装形式上有插入封装、表面贴装、混载封装和芯片封装；在基板形式上有单层、双层、多层、复合基板等；在外形结构形式上有DIP、PGA、QFP、BGA、CSP等；在封装材料形式上有金属封装、陶瓷封装、金属一陶瓷封装和塑料封装。随着对高性能、大功率、小型化电子产品要求的不断扩大，电子封装产品正从外引线封装向平面阵列封装趋势发展。
二、冲击环境下电子封装产品的可靠性研究
1、冲击环境试验研究
电子封装产品作为一种精密的高科技产品，往往以核心部件的姿态出现在航空电子设备或武器的电子系统中。为了考核电子封装产品的抗冲击性能，通常需要利用相关的标准进行测试。此处的标准是对若干实测冲击环境数据进行统计等效的办法获得的，而测试则有两重含义：一是考核产品在冲击作用条件下的结构完好性，又称产品的结构强度试验；二是考核产品性能在冲击作用下是否合格，又称产品功能稳定性试验。现在国际上现行的一些主要标准中美国国军标和国际电工委员会提出的“基本环境实验规程国际标准”被广泛采用。
以上测试标准中所涉及的测试方法主要可分为：跌落试验测试和冲击试验测试。跌落试验一般是利用跌落试验机或某种试验机构，将电子封装产品提升到一定高度，然后快速释放，使产品以特定姿态自由下落，并撞击试验规定的靶面。该试验的目的是：模拟电子封装产品在运输和使用过程中的异常跌落情况，并检测在跌落冲击情况下，产品结构、功能的完好性和可靠性，以保证产品具有一定的抗冲击能力。跌落试验中的主要指标有：跌落高度、跌落次数、跌落姿态和特定的跌落撞击靶面。该试验方法的难点主要在于跌落姿态的控制和试验的可重复性。冲击试验是利用冲击试验机，按照基于等效损伤模拟理论所制定的试验标准，对电子封装产品的抗冲击性进行的测试研究。该试验常常用来测量产品或部件的坚固程度或脆值，找出产品或部件发生结构或功能性损坏的临界冲击条件，或测试产品是否能经受某种强度的冲击。冲击试验中的主要指标参数有：冲击波形、加速度幅值、脉宽等。较为常用的冲击机有自由落体式冲击机、非自由落体式冲击机、水平冲击机等。进行冲击试验时，应将产品固定于台面上，尽量使试件的重心与台面几何中心重合且保证连接可靠；冲击过程中，规定幅值、脉宽和冲击波形的脉冲将通过台面传递至台面上产品，从而达到试验测试目的。根据测试结果可对产品的冲击可靠性有一定的认识，并基于此对产品进行合理的改进设计。
2、破坏机理试验研究
在对电子封装产品的破坏机理进行研究时，通常采用冲击试验方法。常用到的测试多为在电路板上贴应变片和加速度计，测量产品上的应变、加速度；在撞击平面安装力传感器来测量撞击力；以及利用高速摄像机来观测撞击的过程。通过前期的测试结果，研究者发现电路板与芯片之间的细小焊点是冲击过程中最容易发生破坏的部位，而对于平面阵列类组装结构来说，一个焊点的破坏往往造成整个器件的失效，最危险的破坏位置往往是器件角处的焊点。对窄带球栅阵列和超微细球栅阵列芯片的焊点可靠性研究发现，冲击过程中芯片的惯性力和电路板的弯曲变形两种因素对焊点的破坏有较大影响。此外，封装产品的自身结构和材料对焊点的破坏也有一定的影响，例如电子封装产品中材料热膨胀系数的非匹配，以WLCSP组装为例，从芯片到基板之间的材料种类有几十种，而每一种材料都有各自的热膨胀系数，在组装、维护及工作过程中，焊点通常经历了复杂的冶金变化和应力、变形过程，从而对焊点失效模式及失效机理产生影响。
研究人员还发现，不同封装结构焊点的破坏模式有不同的行为。对穿孔式封装的焊点，焊点的破坏模式多为焊角起裂；外引线式连接焊点的破坏通常是焊点中空洞的萌生、聚合与长大的结果，空洞的出现与焊料本身的强度关系不大，通过改善工艺一般在焊态可以改善；平面阵列封装结构中焊料球的破坏行为比较复杂，焊料球与基板界面上的金属间化合物（IMC）对于破坏有一定影响，目前研究者大都认为，焊点在组装和工作过程中经历了复杂的冶金变化和应力度形过程，因此将难以避免在焊点与金属接点间生成金属间化合物，该物质会降低焊点的力学完整性。目前焊料分为含铅焊料和无铅焊料两大类。大多数焊料的电性能、物理性能和部分力学性能以及相应的焊接工艺，在最近的十多年中己得到较深入的研究，而焊料的动态力学特性研究则相对开展较少。
三、冲击环境下电子封装产品的防护
对冲击环境下电子产品的响应规律有了一定的认识后，为了确保其在冲击环境下的可靠性，需在电子封装产品的设计和加工阶段考虑有效的防护措施。现阶段应用比较广泛的措施是给产品设计一个保护箱，然而保护箱主要用于产品的运输和储存，且成本高、体积大，故研究人员开始考虑利用电子线路中的灌封材料，对产品进行冲击缓冲防护。吴晓莉等从能量吸收和应力波传播两方面研究了高冲击下电子线路灌封材料的缓冲机理及材料的选用原则洲，并提出了增强电子封装产品抗冲击性的相应措施：选用抗高过载的元器件；元器件在电路上采用合理的布局，质量分布均匀，质心最好位于几何中心，以减小运动过程中所受的离心过载；为防止断线、断脚或拉脱焊点等故障，对质量大的元器件及印刷电路板应采用固定结构，将导线线束及电缆绑扎，并分段固定；灌封材料应具有良好的工艺，要保证灌封质量；电子产品采用灌封材料和缓冲弹簧组成的二级缓冲结构设计。
四、总结
总的来说，电子封装产品一般用于大型的电子产品中，所处环境较为复杂，做好对其稳定性也会造成一定的影响。本文我们以冲击环境为例，通过对电子封装产品基本结构的分析和冲击环境下电子封装产品可靠性研究，同时好介绍了冲击环境下电子封装产品的防护措施，希望在未来的发展中对电子封装产品的设计改进和防护带来有益的指导，确保电子封装产品的安全稳定性能。
参考文献：
[1]孙鹏. 电子封装中无铅焊点的界面演化和可靠性研究[D].上海大学，2008.
[2]董广成. 高温电子封装界面失效分析及可靠性研究[D].天津大学，2009.
[3]颜秀文，丘泰，张振忠. 无铅电子封装材料及其焊点可靠性研究进展[J]. 电子元件与材料，2006，03：5-8.