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焊接质量的可靠性

发布日期:2018/4/20

  电子产品的“轻、薄、短、小”化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。在这样的要求下,如何保证焊点质量是一个重要的问题。焊点作为焊接的直接结果,它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。也就是说,在生产过程中,组装的质量最终表现。

  目前,在电子行业中,虽然无铅焊料的研究取得很大进展,在世界范围内已开始推广应用,而且环保问题也受到人们的广泛关注,但是由于诸多的原因,采用Sn-Pb焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术。文中将就Sn-Pb焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行较全面的介绍。

  1 焊点的外观评价

  良好的SMT贴片加工焊点应该是在设备的使用寿命周期内,其机械和电气性能都不发生失效。其外观表现为:

   (1) 良好的润湿

   (2) 适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位(或焊端),元件高度适中;

   (3) 完整而平滑光亮的表面。 原则上,这些准则适合于SMT中的一切焊接方法焊出的各类焊点。此外焊接点的边缘应当较薄,若焊接表面足够大,焊料与焊盘表面的润湿角以300以下为好,最大不超过600。

  2 寿命周期内焊点的失效形式

  考虑到失效与时间的关系,失效形式分为三个不同的时期,如图1所示。

   (1) 早期失效阶段,主要是质量不好的焊点大量发生失效,也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。

   (2) 稳定失效率阶段,该阶段大部分焊点的质量良好,失效的发生率(失效率)很低,且比较稳定。

   (3) 寿命终结伦阶段,失效主要由累积的破环性因素造成的,包括化学的、冶金的、热一机械特性等因素,比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应,或热一机械应力造成焊点失效。失效主要由材料的特性、焊点的具体结构和所受载荷决定。

   3 焊接工艺引起的焊点失效机理

   焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。

   3.1 热应力与热冲击

   波峰焊过程中快速的冷热变化,对元件造成暂时的温度差,这使元件承受热一机械应力。当温差过大时,导致元件的陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹。应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。

   焊料固化后,PCB还必须由1800C降低到室温。由于PCB和元件之间的热膨胀系数不同,有时也会导致陶瓷元件的破裂。

   PCB的玻璃化转变温度一般在1800C和室温之间(FR-4大约是1250C)。焊接后,焊接面被强制冷却,这样PCB的两面就会在同一时刻处于不同的温度。结果当焊接面到达玻璃化转变温度或以下时,另一面还在玻璃化转变温度以上,于是出现PCB翘曲的现象。PCB翘曲严重时会损坏上面的元件。

   3.2 金属的溶解

   在厚、薄膜混合电路(包括片式电容)组装中,常常有蚀金、蚀银的现象。这是因为焊料中的锡与镀金或镀银引脚中的金、银会形成化合物,导致焊点的可靠性降低。

   许多情况下,在焊料从焊接温度冷却到固态温度的期间,有溶解的金属析出,在焊接基体内形成了脆性的金属化合物。铜生成针状的Cu6Sn5,银生成扁平的Ag3Sn,金生成AuSn4立方体。这些化合物有一个共同的特点是,就是非常脆,剪切强度极低,元件极易脱落。如果金、银含量少,生成的化合物的量不会很多,这些化合物对焊点的机械性能还不会造成太大的损害。但是含量较多时,焊料会变得易碎。以金为例,当反应的时间及温度足够时,所有的金都将与锡发生反应。所以焊点中金的含量不应超过3%- 4%。

   3.3 基板和元件的过热

   各种材料如塑料一般在焊接温度下是不稳定的,经常出现基板剥离和褪色的现象。纸基酚醛树脂板常发生剥离,适于红外再流焊,而FR-4(环氧玻璃基板)在红外再流焊中经常变色。

   “爆米花”这一词是专门针对大芯片IC的。IC塑料封装极易吸潮,当加热时间过长时,潮气就会释放出来。再流焊时,潮气气化,在芯片底部的封装薄弱界面处积累成一个气泡,封装受到气泡的压力,就会发生开裂。这一现象与芯片的尺寸、芯片下面的塑料厚度、塑料封装与芯片之间的粘合质量有关,尤其是与潮湿量有关。而在波峰焊中,几乎不会发生爆裂。目前的解决办法是:先烘干IC,然后密封保存并保持干燥。或者在使用前几个小时进行1000C以上的预先烘烤。

   3.4 超声清洗的损害

   超声清洗对于清除PCB上残留的助焊剂很有效。缺点是受超声功率大小的控制,超声功率太低则不起作用,而超声功率太高则会破坏PCB及上面元件。

   超声波清洗有可能造成两种破坏后果:

   (1) 小液滴对表面的碰撞就像喷砂,类似于表面风化。

   (2) 在清洗槽内,陶瓷基板受到超声负载激励而呈现共谐状态。基板上,表面贴装元件的引脚则以共谐波频率受到周期性的作用,最终导致在引脚的弯曲处发生疲劳断裂。