温度循环试验：怎样检验封装焊点的疲劳可靠性？

焊点不用加热到熔化，也可能在一次次冷热变化中裂开。以焊在电路板上的球栅阵列封装为例，这篇讲清封装和板材为什么会反复拉扯焊点、试验该记录哪些条件，以及电阻异常和实际使用寿命之间还差哪些证据。

球栅阵列（BGA）用阵列状焊点连接封装和印制电路板。升温时，两者都可能膨胀，但各自自由伸长的幅度不一定相同。热膨胀系数描述材料每升高单位温度时的相对伸长。两边被焊点连住，不能各自自由伸缩，原本不同的位移就会在焊点上形成变形；降温时，载荷又随之改变。

反复变形会积累损伤，裂纹可能逐步萌生和扩展。许多BGA结构的边角焊点离阵列中心更远，往往值得优先检查；但板和封装的翘曲、焊点几何与材料也会改变损伤分布，不能预先认定总是某一颗先坏。

温度循环通常由外部试验箱驱动样品冷热往复。一次典型过程可以从低温驻留开始，经过受控升温、高温驻留和降温，再回到低温段。驻留是样品在指定温度范围内保持的时间。样品温度可能滞后于箱内空气，不能只用设定值代替样品的实际温度。

图1｜样品温度随时间变化的概念曲线：低温驻留、升温、高温驻留、降温后回到低温。无量测刻度，不代表试验规格。

在结构和材料相同、其他条件相近时，温差增大通常会增加膨胀不匹配造成的位移。驻留时间则关系到焊料有多久发生蠕变，也就是在应力下随时间逐渐变形；升降温速率还会改变样品内部温差。三个量作用不同，不能只凭最高温、最低温和循环数比较两项试验。

热冲击强调外界温度快速变化，容易形成较大的瞬态温度梯度；功率循环主要通过反复改变器件功耗，让器件自身发热与冷却。三者的热源或变温方式不同，不能只因温度上下限相同就相互替代。

板级试验常用菊花链试样：把一组互连串起来，循环中按方案监测这条链路的电阻。正常电阻也会随温度变化，因此应事先规定什么样的变化算事件，例如幅度、持续时间或重复条件，并记下事件出现的循环和温度阶段。仅在试验结束时测一次，可能漏掉循环中出现又消失的间歇开路。

图2｜施加温度循环时同步监测链路电阻，发现异常后再确认失效位置。箭头表示证据顺序，不表示试验结束才监测。

电阻异常先告诉我们链路有问题，并不指出是哪颗焊点。还要排查引线、板内导通结构或测量系统等来源，再结合失效位置检查，例如对可疑部位做截面观察，确认裂纹路径是否与焊点疲劳相符。

不能直接换算。指定循环数内未触发判据，只说明这些样品在本次条件和检测方法下未检出相应失效。要估算实际使用寿命，需先弄清现场温度随时间怎样变化、试验和现场是否由同类失效机理主导，再用与结构及材料相符、经过验证的加速模型处理数据。

因此读报告要一起看试样与样本数、样品实测温度曲线、失效判据和失效分析结果。板级焊点疲劳可参考IPC-9701B的方法范围，但具体条件应按适用文件和产品要求确定，不能把某项试验的条件当成通用规格。

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