00260再流焊工藝技術(shù)的研究焊點(diǎn)的質(zhì)量與可靠性

1、焊點(diǎn)的質(zhì)量與可靠性摘要：主要介紹了 sn-pb合金焊接點(diǎn)發(fā)生失效的各種表現(xiàn)形式，探討發(fā)生的各種原因及如保在工藝上進(jìn)行改進(jìn)以改善焊點(diǎn)的可靠性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：焊點(diǎn)；失效；質(zhì)量；可靠性電子產(chǎn)品的“輕、薄、短、小”化對(duì)元器件的微型化和組裝密度提出了更高的要求。在這樣的要求下，如何保證焊點(diǎn)質(zhì)量是一個(gè)重要的問題。焊點(diǎn)作為焊接的直接結(jié)果，它的質(zhì)量與可靠性決定了電子產(chǎn)品的質(zhì)量。也就是說，在生產(chǎn)過程中，組裝的質(zhì)量最終表現(xiàn)為焊接的質(zhì)量。目前，在電子行業(yè)中，雖然無鉛焊料的研究取得很大進(jìn)展，在世界范圍內(nèi)已開始推廣應(yīng)用，而且環(huán)保問題也受到人們的廣泛關(guān)注，但是由于諸多的原因，采用 sn-pb焊料合金的軟釬焊技術(shù)

2、現(xiàn)在仍然是電子電路的主要連接技術(shù)。文中將就 sn-pb焊料合金的焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性問題進(jìn)行較全面的介紹。 1 焊點(diǎn)的外觀評(píng)價(jià)良好的焊點(diǎn)應(yīng)該是在設(shè)備的使用壽命周期內(nèi)，其機(jī)械和電氣性能都不發(fā)生失效。其外觀表現(xiàn)為：良好的潤濕適當(dāng)?shù)暮噶狭亢秃噶贤耆采w焊盤和引線的焊接部位（或焊端），元件高度適中；（3）完整而平滑光亮的表面。原則上，這些準(zhǔn)則適合于 smt中的一切焊接方法焊出的各類焊點(diǎn)。此外焊接點(diǎn)的邊緣應(yīng)當(dāng)較薄，若焊接表面足夠大，焊料與焊盤表面的潤濕角以 300以下為好，最大不超過 600. 2壽命周期內(nèi)焊點(diǎn)的失效形式考慮到失效與時(shí)間的關(guān)系，失效形式分為三個(gè)不同的時(shí)期，如圖 1所示。（1）早期失效階段，主

3、要是質(zhì)量不好的焊點(diǎn)大量發(fā)生失效，也有部分焊點(diǎn)是由于不當(dāng)?shù)墓に嚥僮髋c裝卸造成的損壞?？梢酝ㄟ^工藝過程進(jìn)行優(yōu)化來減少早期失效率。穩(wěn)定失效率階段，該階段大部分焊點(diǎn)的質(zhì)量良好，失效的發(fā)生率（失效率）很低，且比較穩(wěn)定。壽命終結(jié)倫階段，失效主要由累積的破環(huán)性因素造成的，包括化學(xué)的、冶金的、熱一機(jī)械特性等因素，比如焊料與被焊金屬之間發(fā)生金屬化合反應(yīng)，或熱一機(jī)械應(yīng)力造成焊點(diǎn)失效。失效主要由材料的特性、焊點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)和所受載荷決定。 3焊接工藝引起的焊點(diǎn)失效機(jī)理焊接工藝中的一些不利因素及隨后進(jìn)行的不適當(dāng)?shù)那逑垂に嚳赡軙?huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。 3.1熱應(yīng)力與熱沖擊波峰焊過程中快速的冷熱變化，對(duì)元件造成暫時(shí)的溫度差，這使元

4、件承受熱一機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)溫差過大時(shí)，導(dǎo)致元件的陶瓷與玻璃部分產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。應(yīng)力裂紋是影響焊點(diǎn)長期可靠性的不利因素。焊料固化后， pcb還必須由 1800c降低到室溫。由于 pcb和元件之間的熱膨脹系數(shù)不同，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致陶瓷元件的破裂。 pcb的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度一般在 1800c和室溫之間（ fr-4大約是 1250c）。焊接后，焊接面被強(qiáng)制冷卻，這樣 pcb的兩面就會(huì)在同一時(shí)刻處于不同的溫度。結(jié)果當(dāng)焊接面到達(dá)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或以下時(shí)，另一面還在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，于是出現(xiàn) pcb翹曲的現(xiàn)象。 pcb翹曲嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞上面的元件。 3.2金屬的溶解在厚、薄膜混合電路（包括片式電容）組裝中，常常有蝕金、蝕

5、銀的現(xiàn)象。這是因?yàn)楹噶现械腻a與鍍金或鍍銀引腳中的金、銀會(huì)形成化合物，導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。許多情況下，在焊料從焊接溫度冷卻到固態(tài)溫度的期間，有溶解的金屬析出，在焊接基體內(nèi)形成了脆性的金屬化合物。銅生成針狀的 cu6sn5,銀生成扁平的 ag3sn,金生成 ausn4立方體。這些化合物有一個(gè)共同的特點(diǎn)是，就是非常脆，剪切強(qiáng)度極低，元件極易脫落。如果金、銀含量少，生成的化合物的量不會(huì)很多，這些化合物對(duì)焊點(diǎn)的機(jī)械性能還不會(huì)造成太大的損害。但是含量較多時(shí)，焊料會(huì)變得易碎。以金為例，當(dāng)反應(yīng)的時(shí)間及溫度足夠時(shí)，所有的金都將與錫發(fā)生反應(yīng)。所以焊點(diǎn)中金的含量不應(yīng)超過 3-4。 3.3基板和元件的過熱各種材料如

6、塑料一般在焊接溫度下是不穩(wěn)定的，經(jīng)常出現(xiàn)基板剝離和褪色的現(xiàn)象。紙基酚醛樹脂板常發(fā)生剝離，適于紅外再流焊，而 fr-4（環(huán)氧玻璃基板）在紅外再流焊中經(jīng)常變色。“爆米花”這一詞是專門針對(duì)大芯片 ic的。 ic塑料封裝極易吸潮，當(dāng)加熱時(shí)間過長時(shí)，潮氣就會(huì)釋放出來。再流焊時(shí)，潮氣氣化，在芯片底部的封裝薄弱界面處積累成一個(gè)氣泡，封裝受到氣泡的壓力，就會(huì)發(fā)生開裂。這一現(xiàn)象與芯片的尺寸、芯片下面的塑料厚度、塑料封裝與芯片之間的粘合質(zhì)量有關(guān)，尤其是與潮濕量有關(guān)。而在波峰焊中，幾乎不會(huì)發(fā)生爆裂。目前的解決辦法是：先烘干ic，然后密封保存并保持干燥?；蛘咴谑褂们皫讉€(gè)小時(shí)進(jìn)行 1000c以上的預(yù)先烘烤。 3.4超聲

7、清洗的損害超聲清洗對(duì)于清除 pcb上殘留的助焊劑很有效。缺點(diǎn)是受超聲功率大小的控制，超聲功率太低則不起作用，而超聲功率太高則會(huì)破壞 pcb及上面元件。超聲波清洗有可能造成兩種破壞后果：小液滴對(duì)表面的碰撞就像噴砂，類似于表面風(fēng)化。在清洗槽內(nèi)，陶瓷基板受到超聲負(fù)載激勵(lì)而呈現(xiàn)共諧狀態(tài)。基板上，表面貼裝元件的引腳則以共諧波頻率受到周期性的作用，最終導(dǎo)致在引腳的彎曲處發(fā)生疲勞斷裂。 4裝卸和移動(dòng)造成的焊點(diǎn)失效電子產(chǎn)品從元器件裝配、電路組裝和焊接直到成品的運(yùn)輸和使用的整個(gè)壽命周期內(nèi)，可能會(huì)承受由于機(jī)械負(fù)載引起的各種振動(dòng)和沖擊。例如，引起片狀電容器產(chǎn)生裂紋的一個(gè)常見的原因是印制板彎曲。從很緊的夾具中把印刷板

8、拆卸下時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 4.1 制造過程中的機(jī)械負(fù)載由于印制板彎曲可能會(huì)給焊點(diǎn)和元件施加過量的應(yīng)力，這包括三個(gè)方面：（1）大通孔元件的焊點(diǎn)所受應(yīng)力很容易超過屈服極限。如果 pcb上有比較重的元件如變壓器，則應(yīng)該選擇夾具支撐。無引線陶瓷元件也很容易發(fā)生斷裂。當(dāng)片式元件從多層板上分離時(shí)，元件發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)性相當(dāng)高，所以最好不要將片式電阻電容放在容變曲的地方。在ic器件也會(huì)發(fā)生焊點(diǎn)斷裂。鷗翼形引線在析的平面方向是柔性的，但在與板垂直的方向是剛性的。如果帶有大的細(xì)間距 ic的pcb 有一個(gè)角發(fā)生翹曲，而沒有支撐，或者由于不正確地調(diào)整測(cè)試夾具而形成機(jī)械負(fù)載，會(huì)對(duì)焊點(diǎn)造成危脅。4.2 運(yùn)輸過程中的振動(dòng)

9、焊點(diǎn)的形狀是圓而光滑的，沒有應(yīng)力集中的尖角。所以，振負(fù)載通常不會(huì)損壞焊點(diǎn)，而會(huì)破壞引線。特別是重的元件和只有少量的（ 2或3根）長的排成一列的柔性引線的元件（例如大的電解電容）會(huì)遭受振動(dòng)。這會(huì)導(dǎo)致受到機(jī)械負(fù)載最多的印制板上的元件引線發(fā)生疲勞斷裂。 4.3機(jī)械沖擊因?yàn)楹更c(diǎn)具有良好的體積和形狀，所以受機(jī)械沖擊時(shí)，焊點(diǎn)一般是不會(huì)損壞的。但是焊接結(jié)構(gòu)的其它部分會(huì)發(fā)生失效。如大而重的有引線元件受機(jī)械沖擊后產(chǎn)生的大慣性力會(huì)引起 pcb板上覆銅的剝離或板斷裂，進(jìn)而，元件本身也會(huì)損壞。為了解決這一問題，要求大而重的元件有足夠的機(jī)械支撐固定，而且要求引線應(yīng)柔性的?；煅b電路板的表面組裝電路部分由于其焊點(diǎn)比通孔插裝

10、焊點(diǎn)小得多，且引線不穿過電路板，焊點(diǎn)處機(jī)械強(qiáng)度較小，更容易受到?jīng)_擊損壞的危險(xiǎn)。為了增加焊接結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，應(yīng)從焊接材料的配方入手，使焊膏在焊接時(shí)不易形成焊球。助焊劑殘余物易于清除。涂敷焊膏用量應(yīng)適當(dāng)，在滿足機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能的前提下，焊點(diǎn)要小，另外要選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒?，建立最佳的溫度曲線，從而提高焊接結(jié)構(gòu)的整體可靠性。 5老化根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用，電子電路會(huì)承受各種各樣的負(fù)載。一般有以幾種：空氣環(huán)境如潮濕、污染的氣體和蒸汽；煙霧（汽車尾氣）；溫度：熱、冷及溫度周期性變化；機(jī)械負(fù)載：振動(dòng)和沖擊、恒力（重力等）、長期的彎曲（安裝不正確）。會(huì)造成以下后果：化學(xué)和電化學(xué)腐蝕；板析的退化；焊料中的錫與焊接金屬

11、之間合金層的生長；由于彈性塑性變形產(chǎn)生蠕變斷裂；熱一機(jī)械焊接疲勞。 5.1 腐蝕空氣污染所致的干性化學(xué)腐蝕危險(xiǎn)性小。但如遇到含硫的氣體時(shí)，氣體中的硫會(huì)與焊點(diǎn)上的銀發(fā)生反應(yīng)，形成 ag2s,從而降低焊點(diǎn)上的可焊性。在潮濕和有偏置電壓的情況下，腐蝕和金屬遷移將很容易發(fā)生（由于電解作用，金屬析出蔓延形成樹枝狀晶體）。所有的焊接金屬都可能發(fā)生遷移，銀是最敏感的金屬。 5.2 基板材料老化基板材料在溫度升高時(shí)發(fā)生老化，而且溫度越高老化越快。印制板制造商規(guī)定的失效標(biāo)準(zhǔn)是：彈性強(qiáng)度減半。這意味著當(dāng)彈性強(qiáng)度減小一半時(shí)，材料已經(jīng)老化到失效了。使用溫度的最高允許值取決于產(chǎn)品的“運(yùn)行”時(shí)間。對(duì)電路來講，連續(xù)運(yùn)行的時(shí)

12、間是 105h。所以印制板的使用溫度應(yīng)控制在 80-1000c，這由板的材料和要求的“運(yùn)行”時(shí)間來決定。 5.3 合金層合金化合物不僅僅是象前面討論的在焊接過程中由溶解的金屬沉積而成。焊料中的錫也和焊接金屬表現(xiàn)出固化反應(yīng)（焊料中的鉛不能阻止這種反應(yīng)），甚至在室溫下，都可能發(fā)生這樣的反應(yīng)。例如。，一年后 cu sn層的厚度會(huì)增加 0.5um.通常合金化合物是硬而脆的。相比較而言有些是硬的，如 cu sn,其它則較軟，如 ausn4, ni sn合金層則是中等硬度。有關(guān)合金層的可靠性方面有三點(diǎn)要注意：（ 1）軟合金層將導(dǎo)致焊點(diǎn)破裂，特別容易發(fā)生在含金的焊料中。（ 2）整個(gè)薄層合金的變化將導(dǎo)致粘附力

13、的降低或電接觸的老化。（ 3）在焊接金屬與合金層之間的界面處會(huì)出現(xiàn)焊接金屬的伴生物，如銅一錫合金層之間出現(xiàn)的 sno2。5.4蠕變斷裂材料在長時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度也會(huì)慢慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。這種變形引起的斷裂稱為蠕變斷裂。不同的材料出現(xiàn)蠕變的溫度不同。一般來說，當(dāng)溫度超過材料熔點(diǎn)的 0.3倍以上時(shí)，才出現(xiàn)較明顯的蠕變。而錫鉛焊料在室溫下乙有蠕變現(xiàn)象。為了防止重的元件造成的蠕變破裂，建議有引線元件的焊點(diǎn)施加的應(yīng)力不超過 0.1n/焊點(diǎn)。焊點(diǎn)在焊接后多少會(huì)釋放一些應(yīng)力，如果焊點(diǎn)位于 pcb的某一彎曲的位置，就會(huì)受到持久的擠壓。大尺寸 ic的焊待添加的隱藏文字內(nèi)容

14、1點(diǎn)，帶有相對(duì)較硬的引線，這樣的焊點(diǎn)在這種情況下會(huì)斷裂。因?yàn)槿渥兪且环N緩慢的變形，也許產(chǎn)品在用戶使用中會(huì)突然斷裂。（3）如果焊料同發(fā)生塑性形變的引線固化在一起，就會(huì)發(fā)生蠕變斷裂，這取決于引線的硬度和塑性形變量。 5.5焊接疲勞元件、焊料以及基板材料有著不同的熱膨脹系數(shù)。同時(shí)，周期性的溫度改變，散熱的變化以及環(huán)境溫度的改變都會(huì)引起每次溫度改機(jī)械應(yīng)力。這部分應(yīng)力由蠕變釋放出來，從而引起每次溫度改變時(shí)的塑性形變。這種累積的破壞性影響將最終導(dǎo)致焊點(diǎn)的疲勞斷裂。 6結(jié)論綜上所述，影響焊點(diǎn)質(zhì)量的因素有很多，我們探討了制造過程中的機(jī)械負(fù)載、熱沖擊、裝卸和移動(dòng)造成的破壞、老化等方面的原因，那么在操作時(shí)，應(yīng)該采

15、取以下措施來保證焊點(diǎn)的質(zhì)量：溫度循環(huán)負(fù)載要盡可能?。辉骷M可能??；熱膨脹系數(shù)要匹配；采用柔性引線；盡量不要裝配那些大而重的元件，通過柔性引線進(jìn)行電氣連接；通孔與引線的配合應(yīng)緊密，但不要太緊；印制板的裝配應(yīng)保證在板的水平方向能自由移動(dòng)，否則周期性的彎曲會(huì)破壞大元件的焊點(diǎn)；焊點(diǎn)尺寸和形狀要適當(dāng)；在單面板上安裝通孔元件，焊點(diǎn)要飽滿；焊料合金要達(dá)到最大的疲勞壽命?？梢酝ㄟ^優(yōu)化兩個(gè)特性：疲勞屈服點(diǎn)和蠕變阻抗，使焊料合金的疲勞壽命達(dá)到最大值。通過以上分析， smt焊點(diǎn)的質(zhì)量與可靠性由以下因素決定：良好的焊接工藝質(zhì)量；盡量不要對(duì)焊點(diǎn)、元件和印制板造成損壞；操作中選擇能夠承受負(fù)載的材料和結(jié)構(gòu)；表面組裝技術(shù)中，焊點(diǎn)的質(zhì)