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电子产品在焊接过程中的可靠性问题研究

摘要焊接是电子产品生产制造中的关键环节,受电子产品日趋复杂、贴片元器件精细化发展等因素影响,使电子产品焊接质量发生了新的变化,焊接质量也成为影响电子产品质量的重要因素,而当前开展电子产品焊接工作还容易出现铅污染、局部焊点冷焊、焊点空洞等问题,不仅无法保证电子产品实际使用性能,还不利于电子制造业稳定持续发展,需要加强电子产品焊接可靠性研究与分析,并采用有效技术措施对电子产品焊接过程进行科学规范与把控,在减少质量缺陷出现的同时,提高电子产品焊接工艺技术水平[1]。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

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关键词:回流焊、无铅、焊料AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1 影响电子产品焊接可靠性的主要因素AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.1 焊料使用AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

长时间以来SnPb 共晶焊料都是电子产品组装过程中最合适的焊料,并且这种焊料具有使用便利、价格低、焊接稳定等优势特点。但是铅的使用会引发环境污染问题,使用无铅焊料开展电子产品组装工作也越来越流行。无铅焊料要完全替代有铅焊料,除了要具备优良电学力学性能以外,还要兼容目前已有的焊接工艺,这些焊料有SnCu、SnAgCu等,尽管这些无铅焊料在电子产品组装中进行运用可以取得较好的效果,但是无铅焊料使用也存在一些可靠性问题,具体表现如下。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.1.1 铅污染AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

无铅焊料在电子制造业领域进行广泛普及,并不是一朝一夕能够完成的,并且焊接工艺从有铅向无铅方向发展,也会有一个过渡期,也正是因为有铅焊料的存在,使无铅工艺应用会产生一定的铅污染,铅元素的加入会使无铅焊料的熔点降低,进而对电子产品焊接质量带来不利的影响[2]。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.1.2 锡须生长AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

锡晶须是焊点在锡层表面自发长出的Sn单晶体,会对锡晶须生长产生影响的内外因素主要有镀层、基底材料、温度、电流等,通常锡晶须的生长速度较为缓慢,然而当它跨两互连焊点的距离与邻近焊点连接起来以后,就容易引发桥接短路问题,进而对器件造成严重的影响,若焊接工作开展对传统有铅焊料进行运用,就可以通过铅元素对锡须生长进行抑制,不过无铅焊料使用以锡晶须问题又开始暴露出来,这也会降低电子产品焊接的可靠性。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.1.3 电迁移AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

在电压作用下,金属中的原子会跟随电流进行移动,从微观上看就像是发生扩散现象,金属原子朝着阳极附近不断地靠近,在阴极附近则会出现孔洞、裂纹等现象,进而引发电路短路、熔断等问题,对电迁移进行深入的探究,发现其是一个复杂的工作过程,涉及的电流密度、焊点成分、温度梯度等诸多因素都可能会对其产生影响,而使用的无铅焊料Ag、Sn 也容易随着电流进行迁移运动,容易造成无铅焊点存在潜在的电迁移性,电子产品焊接质量也无法得到保证[3]。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.2 焊接工艺AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

在电子产品生产过程中,较常使用的焊接工艺主要有两种:一种是波峰焊,即将熔化以后的软钎焊料经过电动泵喷流成设计要求的焊料波峰,预先装有元器件的抑制板通过焊料波峰也能与印制板焊盘之间的机械与电气进行有连接;另一种是回流焊,实际作业主要是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的焊膏,使表面组装元器件引脚与印制板焊盘之间的机械和电气进行有效连接。伴随着科学技术不断发展,元器件集成度也越来越高,并朝着小型化方向发展,这时开展电子产品焊接工作,对回流焊工艺应用也愈发关注,焊接过程温度变化也会对电子产品焊接可靠性产生极大的影响,具体表现为以下几点。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.2.1 预热升温AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

通常预热区的温度介于130~180 ℃,这一温度时间要控制在60~120 s,在运用无铅焊料工艺进行焊接作业时,预热和升温过程段需要缓慢地进行,以保证遇到元器件较多的多层板、大尺寸板等时可以均匀的受热,若整个过程升温过就会扩大不同元器件与印制板的温差,最终焊接可靠性也无法得到保障。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.2.2 快速升温AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

这一区域又被称为助焊剂浸润区,温度需要由180oC上升至217oC,由于电子产品焊接过程所使用无铅焊料对温度要求较高,因此实际升温出现较为缓慢的情况,助焊剂就会提前结束活化反应,甚至会使元器件引脚、焊盘焊料等受到高温影响出现重新氧化的情况,焊接界面可靠性也会明显降低[4]。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.2.3 回流区AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

要保证形成良好的焊点,还要对回流区溶解、扩散和冶金连接过程引起关注,在上述中已经提到无铅焊料需要较高的温度,实际作业除了要保证充分焊接以外,还要防止温度过高对元器件造成破坏。为此,要对回流区的峰值温度进行合理设置,不过操作中没有根据实际对最高峰值温度进行有效控制,最终焊点可靠性也不能得到保证。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

1.3 检测技术AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

采用可靠性检测技术对电子产品焊接质量进行检查,是保证电子产品质量的一项重要环节。目前对于宏观的焊接缺陷,主要是采用人工目测检查,实际作业存在的主要问题是主观性太大,并且只能对焊点的形状、尺寸、表面特征等进行检测,虽然可以通过自动光学检测技术对电子产品焊接过程存在的问题进行自动发现,但是这一技术应用也只能针对外在焊点缺陷,无法对微米级水平的缺陷进行检测分析、准确定位缺陷和获取工艺参数,极大降低了电子产品焊接可靠性。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

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2 电子产品焊接过程较常出现的质量问题AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

电子产品焊接过程中常见的质量问题具体有以下方面。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

2.1 局部焊点冷焊AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

对于热容量不同的焊点,在不能及时接收足够热量以后,形成的金属件化合物厚度也存在较大的差异,并容易产生焊点间结合强度不足问题,无法满足电子产品焊接可靠性要求。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

2.2 桥连AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

在回流焊中,电子产品进行炉膛内部运动焊接,经由热风和轨道引起的震动、扰流影响,也容易引发桥连位移隐患。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

2.3 焊料浸润不良AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

当焊锡合金没有受到表面张力和氧化层的影响以后,其就不会具备较好的扩散能力,进行焊接作业焊点可靠性也就无法得到保障[5]。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

2.4 焊点空洞AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

受到助焊剂蒸发不完全影响,导致焊点内部填充空洞问题出现,对空洞产生的机理进行深入分析,主要是Cu暴露在空气中进行氧化会生成砖红色的Cu2O,经过高温作用以后又会生成黑色的CuO,最终水蒸气被裹挟在焊料中冷却以后就会形成气泡。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

2.5 元件破裂AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

在回流焊工艺应用下,电子产品焊接出现原件破裂情况,主要是因为焊接过程板材与元件之间的热不匹配导致,当焊接温度出现过高和冷却速率不达标情况时,就容易引发元件应力集中情况。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

3 提高电子产品焊接过程可靠性的策略探究AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

3.1 科学选择焊料AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

由于焊料的选择会影响电子产品焊接的可靠性,因此要对焊料选择引起高度重视。现阶段,电子产品生产制造已经广泛使用无铅焊料,并且要求无铅焊料有优良电学力学、兼容目前已有焊接工艺、较好的湿润性等性能。为防止实际使用中出现铅污染、电迁移等情况,降低电子产品焊接的可靠性,技术人员应掌握常用无铅焊料类型及相关性能,如表1 所示。在结合实际对焊料进行科学合理选择以后,要防止焊接质量问题出现,还要对焊剂引起高度重视,具体包括助焊剂和阻焊剂两项内容。前者一般可分为无机助焊剂和有机助焊剂,实际应用可以溶解去除金属表面存在的氧化物,并且在焊接加热过程中也能对金属表面进行有效包围,使之与空气隔绝,金属在加热时氧化降低熔融焊锡表面张力问题也能防止发生,在促进焊锡湿润中增强焊接可靠性。后者则是通过阻焊剂促使焊料只在焊点上进行焊接,对于不需要焊接的印制电路板,就可以将之有效覆盖起来,保护面板在焊接时受到的热冲击更小,发生气泡、桥接、短路等问题的概率也会明显降低。另外,在对焊剂进行使用时,还要注意把握焊件面积大小和表面状态情况,通过控制好焊剂用量保障产品焊接的质量[6]。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

图片表1 电子产品焊接常用无铅焊料类型及相关性能

3.2 优化焊接工艺AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

在上述中已经提到电子产品生产制作,较常采用的焊接工艺主要有波峰焊和回流焊两种,实际作业由于现代的元器件集成度比较高,并朝着微型化方向发展,因此开展电子产品焊接作业,使用回流焊工艺越来越多,具体焊接过程中也极容易受到温度变化影响,降低焊接的可靠性。要妥善解决这一问题,除了要加强回流焊过程温度控制以外,还要坚持与时俱进对焊接工艺进行优化创新,极大保障电子产品焊接质量。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

在回流焊工艺应用方面,要透过回流焊的温度曲线图,了解到焊接过程温度变化对工艺应用可靠性的影响,然后从升温预热、快速升温、回流冷却3 个环节入手,对焊接过程温度进行严格控制,在升温预测环节可以将温度设置在130~180oC 左右,并保证预热和升温过程段都是缓慢进行的,保证电子产品元器件可以受热均匀,在减少不同元器件与印制板温差以后,焊接可靠性也会得到明显的提高;在快速升温环节要将温度从180oC 升温至217oC,就要对助焊剂进行有效使用,使助焊剂在充分活化以后,对焊接界面氧化层薄膜进行有效去除,执行时加强升温斜率控制就能提高升温速度,促进助焊剂在高温状态下充分发挥活化反应,避免对焊接界面可靠性产生不利的影响;在回流冷却环节要将最高峰值温度控制在(235±5)oC以内,并对回流区峰值温度、峰值时间和回流时间进行合理设置,以保证焊接作业可以形成良好的焊点,待焊接完成以后又要将降温速率控制在3~5oC/s之间,以防止温差过大造成电子产品元器件损坏[7]。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

在焊接工艺优化创新方面,可以选择焊接工艺比较多,如激光焊接、电子束焊接等。前者是通过激光辐射加热待加工表面,表面热量通过热传导向内部扩散,并通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率等激光参数,使工件熔化形成特定的熔池,具有焊接速度快和深宽比大的特点。后者则是利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生热能进行焊接的方法,因具有不用焊条、不易氧化、热变形量小等优点,被广泛应用在航空航天、电气电工等众多行业中。在对这些新焊接工艺进行选择使用时,还要注意焊料与这些工艺的契合性,以保证和提升焊接质量。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

3.3 加强质量检测AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

选择合适检测技术对电子产品焊接可靠性进行检查分析,可以及时发现焊接过程存在的质量缺陷,并为后续修正提供有力的信息支持。实践中可以结合不同情况对人工目测、自动光学检测等技术进行应用,在人工目测检测技术应用方面,人们通常会通过肉眼观察、辅助显微镜等方式,对尺寸较大元器件的宏观焊点进行检查,可以观测到的焊点缺陷情况有桥接、焊膏未熔化等,不过随着电子产品元器件朝着集约化和微型化方向发展,这种焊点质量检测方式运用效果也会持续降低,需要探寻新的检测技术及时发现和解决焊接存在缺陷。在自动光学检测技术应用方面,就很好地适应了元器件尺寸不断减少、PCB 板上贴片密度增加等要求,执行时可以采用专用检查仪器通过光电对焊点进行照射,然后用光学镜头对反射光进行采集运算,经过计算机图像处理系统分析处理以后,也能得到元器件焊接情况科学判断的结果,针对发现的焊膏故障、器件贴装故障、元器件焊接故障等问题,也能直观、形象地展现出来,以为后续焊接作业持续优化改进提供有力的支撑[8]。另外,还可以采用超声波检测法自动化、X 射线检测法自动化等,实现对电子产品焊接质量的有效检测。其中,通过超声波检测法自动化对焊接质量进行检验,就可以通过超声波的反射信号对元件进行细致探测,特别是对于IC 芯片封装内部出现的空洞、分层等缺陷情况,均能通过该项检测技术及时发现,在查明缺陷发生真正原因以后,就能在后续焊接作业中进行控制与解决。通过X射线检测法自动化对焊接质量进行检验,基本上可以检查电子产品全部的工艺缺陷,执行时可以利用X射线的透视特点,对焊点形状进行检查,甚至还可以与电脑库中的标准形状进行对比,以科学判断焊点的质量。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

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4 结语AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

本文是对电子产品在焊接过程中可靠性问题的分析,随着电子元器件朝着集约化、微型化等方向发展,对电子产品焊接可靠性也提出更高的要求,而做好电子产品焊接工作后,也能极大保障电子产品质量。不过在实际作业中,电子产品焊接还常常会受到焊材使用、焊接工艺、质量检测等因素影响,导致焊接空洞、分层、桥连等问题发生,要提高电子产品焊接过程的可靠性,就要优先考虑无铅焊料使用,并加强回流焊工艺过程温度控制,对于新出现的激光焊接、电子束焊接等工艺也要积极采用,同时深化落实好焊接质量检测工作,以切实保障电子产品焊接质量,使电子制造业获得稳步持续发展。AFdSMT技术网-China表面贴装技术-SMT表面贴装-SMT技术网【官网】

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