電子產(chǎn)品在焊接過程中的可靠性探討

楊志勇

摘 要： 隨著科技的發(fā)展和天線類電子產(chǎn)品的精密化和功能化程度越來越高，對于電子產(chǎn)品工藝提出了更高的要求，就電子產(chǎn)品焊接工藝而言，全新工藝方法以及焊接設(shè)備不斷更新，以此來保證焊接的可靠性。尤其是在電子產(chǎn)品的大熱容量焊點的工作過程中，要保證良好的焊接效果，就更需要保證焊接過程中的可靠性。因此，本文將結(jié)合理論研究和實踐經(jīng)驗，進行電子產(chǎn)品大熱容量焊接過程中的可靠性探討，以期電子產(chǎn)品焊接技術(shù)發(fā)展貢獻自己的力量。

關(guān)鍵詞： 電子產(chǎn)品；焊接；可靠性

一 引言

移動通信天線類電子產(chǎn)品的特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由鈑金件、壓鑄件、PCB電路板、同軸電纜等多類型、多品種零件組裝及結(jié)構(gòu)件焊接而成。這類產(chǎn)品的焊點的特性是熱容量大，傳統(tǒng)的焊接設(shè)備和工藝是：采用大功率烙鐵，通過烙鐵嘴對焊點進行直接接觸傳導(dǎo)熱量，同時輔助焊錫絲進行焊料填充的一種接觸式焊接方法。傳統(tǒng)的焊接方法采用的是單點焊接，生產(chǎn)效率低，回流焊采用的是整體加熱方法焊接，可同時焊接多個焊點，生產(chǎn)效率高，適合于大批量生產(chǎn)。。因此，目前的天線類電子產(chǎn)品應(yīng)該采用回流焊進行焊接，需要設(shè)計印刷工裝以及印刷用網(wǎng)板進行涂抹焊膏，設(shè)計回流溫度曲線及鏈速，同時焊接時需要制作焊接工裝來固定焊接件。焊接后的天線需要滿足設(shè)計圖紙要求，要保證天線類電子產(chǎn)品的質(zhì)量和使用安全，就需要保證焊接技術(shù)的可靠性。

二 焊料可靠性

在焊接過程中，采用的是低溫焊料SnPb，這主要是由于低溫焊料具有價格便宜、焊接便利以及使用穩(wěn)定的特點，所以在電子產(chǎn)品組裝過程中一直廣泛使用SnPb作為焊料。但是，由于其中鉛大量存在，將導(dǎo)致環(huán)境勿擾。所以，自1990年開始美國就提出了限制電子電器使用的有害成分相關(guān)要求，其中就包括鉛。自此全世界的電子行業(yè)都開始了無鉛焊接的探索和研究，到2003年便出臺了相關(guān)的指令和標準。到目前，無鉛焊接已經(jīng)在電子產(chǎn)品組裝中廣泛使用。

無鉛焊接技術(shù)不斷進步和發(fā)展，目前已經(jīng)開始使用SnCu、SnAg以及SnAgCu等焊料進行焊接。通過實踐和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，目前無鉛焊接表現(xiàn)出了來年更好的電學(xué)以及力學(xué)性能，而且焊接成本也能夠控制在可接受的范圍之內(nèi)。但是，在使用過程中還存在一些可靠性問題。

（一）鉛污染問題

雖然，電子組裝技術(shù)發(fā)展已經(jīng)開始廣泛使用無鉛焊接技術(shù)，但是由于無鉛焊接的普及工程很大，這不僅屬于電子行業(yè)范疇，而且還涉及到工業(yè)界的方方面面，需要很長時間的發(fā)展和完善。因此，從有鉛到無鉛需要很長的時間進行過渡，因此就出現(xiàn)了有鉛無鉛混合焊接技術(shù)。因此，在焊接過程中依然存在一定含量的鉛，所以還是會產(chǎn)生一定的鉛污染。而且由于在焊接過程中摻雜了一定量的鉛，所以會使得無鉛焊接的熔點降低，使得使用周期變短，使用狀況不佳，還是會導(dǎo)致嚴重的鉛污染問題。

（二）錫須生長

錫須是生長在焊點錫層表面的錫單晶，通常為須狀，是應(yīng)力與原子擴散相互作用的結(jié)果。影響錫須生長的外部因素包括力、濕度、溫度和電流，內(nèi)部因素包括涂層、基材和結(jié)構(gòu)特性。錫晶須通常以較慢的速率生長，但是一旦它們跨越兩個互連焊盤之間的距離，橋接它們到相鄰焊盤的短路會對器件產(chǎn)生顯著影響。在電子產(chǎn)品的焊接過程中，必須防止或減緩錫晶須的生長。

采用傳統(tǒng)的含鉛焊料，由于一定的相互作用，鉛可以有效抑制錫須生長，避免錫須生長缺陷。然而，無鉛焊料的使用暴露了錫須的問題，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前的解決方案主要集中在無鉛焊料成分的改進、無鉛焊接工藝的改進、退火處理以及阻擋層和有機涂層的使用，盡管錫須的可靠性仍然值得警惕。由于錫須通常在電鍍數(shù)年甚至數(shù)十年后生長，所以對產(chǎn)品的長期使用還是存在很大的潛在危險。

（三）電遷移

電遷移是金屬中的原子在電壓作用下隨電流移動的現(xiàn)象，在微觀上引起類似的擴散。隨著電遷移過程的進行，金屬原子不斷聚集在陽極附近，而空穴或裂紋出現(xiàn)在陰極附近，導(dǎo)致短路或開路。電遷移是一個非常復(fù)雜的過程，它與封裝結(jié)構(gòu)、焊點組成、電流密度和溫度梯度有關(guān)。內(nèi)部原因主要是薄膜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的不均勻性，外部原因主要是電流密度的增加。

但是，在無鉛焊接中電流遷移現(xiàn)象更加明顯，尤其是Ag、Sn的存在，更加容易發(fā)生電流遷移，會造成嚴重的無鉛焊點的電遷移現(xiàn)象。所以，要想保證無鉛焊接的可靠性就需要重視電遷移現(xiàn)象，對此進行深入研究，盡量減少電遷移現(xiàn)象的出現(xiàn)。

三 工藝可靠性

在電子產(chǎn)品大量生產(chǎn)以及天線類電子產(chǎn)品的大量使用中，出現(xiàn)了回流焊焊接工藝?；亓骱附庸に囀峭ㄟ^對預(yù)先分配到焊盤上的焊膏進行重熔，然后完成機械和電氣連接。隨著天線類電子產(chǎn)品的集成度的不斷提高和功能化，回流焊接技術(shù)在電子產(chǎn)品發(fā)展過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文在工藝可靠性方面是以回流焊為例，進行焊接工藝研究。

SMT回流焊的溫度曲線圖一般如圖1所示，下文將對焊接過程中的溫度變化為例研究整個工藝的可靠性：

（一）升溫預(yù)熱區(qū)

通過上圖可以看出升溫區(qū)的在達到130℃之前的升溫速率能夠達到1℃/s～3℃/s，所以達到130℃需要30s～100s。而且在實際的應(yīng)用中，往往預(yù)熱區(qū)的溫度會設(shè)置為130℃左右，時間也大約需要60s左右。而且，在無鉛焊接中過程相對緩慢的是預(yù)熱和升溫過程，要想保證焊接工藝的可靠性，就需要保證在電子元件集中、多層板以及元件板較大的焊接過程中，要保證焊接過程總的受熱均勻，要減少不同元器件及印制板的溫差，才能夠保證焊接的質(zhì)量。

（二）快速升溫區(qū)

快速升溫區(qū)的工藝過程也叫做助焊劑浸潤區(qū)，這個過程需要在升溫預(yù)熱區(qū)之后將溫度升溫到217℃其主要功能是充分激活焊劑并去除焊接界面處的氧化膜。擴散、溶解和形成良好的焊接界面是一個關(guān)鍵步驟。而無錢焊料需要高溫進行操作，所以如果在焊接過程中加熱速度較慢，就會導(dǎo)致焊料長時間處于同一溫度下。如果焊料長時間處于高溫環(huán)境下，就會導(dǎo)致焊料的活化反應(yīng)會提前完成，甚至元器件引腳、PCB焊盤和焊料合金也會在高溫下被再氧化，從而影響焊接界面的可靠性。因此，快速加熱區(qū)的加熱斜率尤為重要。

（三）回流區(qū)

回流區(qū)溶解、擴散以及冶金的連接過程，是保證良好焊點形成的重要前提。以無鉛焊料SnAgCu為例，其熔融溫度需要達到217℃，其中升溫到緩慢降溫，至凝固溫度217℃的區(qū)間稱為回流區(qū)。而且，在焊接過程中要保證回流區(qū)的時間在25-55s，其中要保證230℃的時間保持在20s以下，而且要注意在焊接過程中將最高峰溫度控制在230-240℃之間。

但是由于在焊接過程中，相比較而言無鉛焊料需要更高的焊接溫度，所以在實際操作過程總不僅需要保證充分焊接，而且需要保證高溫環(huán)境下PCB板和元器件的使用狀況良好。所以，在回流區(qū)的峰值溫度、時間以及回流時間要進行科學(xué)規(guī)劃和設(shè)置，提高焊接過程的可靠性。

（四）冷卻區(qū)

冷卻區(qū)是焊接后的冷卻過程，需要將冷卻速度控制在3 ～ 5℃/ S。由于無鉛焊料回流區(qū)的峰值溫度較高，因此進入冷卻區(qū)的產(chǎn)品的初始溫度較高。為避免凝固時間過長引起晶粒粗化，冷卻速度應(yīng)較高。但冷卻速度不能太大，防止因溫差過大而損壞部件。

總結(jié)與展望

電子產(chǎn)品在焊接過程中影響可靠性的因素很多，其影響機理復(fù)雜。尤其是隨著天線類電子產(chǎn)品也呈現(xiàn)出精密化和多功能化的發(fā)展趨勢也對焊點的可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。這就要求我們深入研究焊點的結(jié)構(gòu)和斷環(huán)機理，制定更準確、更易于應(yīng)用的可靠性評估技術(shù)規(guī)范和可靠性壽命預(yù)測模型、求解方法，最終解決天線類電子產(chǎn)品焊接及其長期運行的可靠性問題。

參考文獻

[1]徐玲. IGBT功率模塊封裝可靠性研究[D].華中科技大學(xué)，2016.

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