如何更可靠的焊接電子產品

電子產品的“輕、薄、短、小”化對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,如何保證焊點質量是一個重要的問題。焊點作為焊接的直接結果,它的質量與可靠性決定了電子產品的質量。也就是說,在生產過程中,組裝的質量最終表現為焊接的質量。在近幾年TOP10分析中也有具體體現,真正裝配不良較少,主要還是焊接上導致的問題。

目前,在電子行業中,雖然無鉛焊料的研發取得很大進展,在世界範圍內已開始推廣應用,而且環保問題也受到人們的廣泛關注,但由於諸多的原因,採用Sn/Pb焊料合金的軟釺焊技術現在仍然是電子電路的主要連接技術。

如何更可靠的焊接電子產品

焊點的外觀評價。良好的焊點應該是在設備的使用壽命週期內,其機械和電氣性能都不發生失效。其外觀表現為良好的潤溼;適當的焊料量和焊料完全覆蓋焊盤和引線的焊接部位(焊端),組件高度適中;完整而平滑光亮的表面。原則上,這些準則適合於SMT中的一切焊接方法焊出的各類焊點。此外焊接點的邊緣應當較薄,若焊接表面足夠大,焊料與焊盤表面的潤溼角以30º以下為好,最大不超過60º。

壽命週期內焊點的失效形式。考慮到失效與時間的關係,失效形式分為三個不同的時期,早期失效階段,主要是質量不好的焊點大量發生失效,也有部分焊點是由於不當的工藝操作與裝卸造成的損壞。可以通過工藝過程進行優化來減少早期失效率。穩定失效率階段,該階段大部分焊點的質量良好,失效的發生率(失效率)很低,且比較穩定。壽命終結階段,失效主要由累積的破壞性因素造成的,包括化學的、冶金的、熱及機械特性等因素,比如焊料與被焊金屬之間發生金屬化合反應,或熱及機械應力造成焊點失效。失效主要由材料的特性、焊點的具體結構和所受載荷決定。

如何更可靠的焊接電子產品

焊接工藝引起的焊點失效機理。焊接工藝中的一些不利因素及隨後進行的不適當的清洗工藝可能會導致焊點失效。熱應力與熱衝擊,波峰焊過程中快速的冷熱變化,對組件造成暫時的溫度差,這使組件承受熱及機械應力。當溫差過大時,導致組件的陶瓷與玻璃部分產生應力裂紋。應力裂紋是影響焊點長期可靠性的不利因素。焊料固化後,PCB還必須由180ºC降低到室溫。由於PCB和組件之間的熱膨脹係數不同,有時也會導致陶瓷組件的破裂。PCB的玻璃化轉變溫度一般在180ºC和室溫之間(FR-4大約是125ºC)。焊接後,焊接面被強制冷卻,這樣PCB的兩面就會在同一時刻處於不同的溫度。結果當焊接面到達玻璃化轉變溫度或以下時,另一面還在玻璃化轉變溫度以上,於是出現PCB翹曲的現象。PCB翹曲嚴重時會損壞上面的組件。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、蝕銀的現象。這是因為焊料中的錫與鍍金或鍍銀引腳中的金、銀會形成化合物,導致焊點的可靠性降低。許多情況下,在焊料從焊接溫度冷卻到固態溫度的期間,有溶解的金屬析出,在焊接基體內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。這些化合物有一個共同的特點,就是非常脆,剪切強度極低,組件極易脫落。如果金、銀含量少,生成的化合物的量不會很多,這些化合物對焊點的機械性能還不會造成太大的損害。但是含量較多時,焊料會變得易碎。以金為例,當反應的時間及溫度足夠時,所有的金都將與錫發生反應。所以焊點中金的含量不應超過3%-4%。基板和組件的過熱。各種材料如塑料一般在焊接溫度下是不穩定的,經常出現基板剝離和褪色的現象。紙基酚醛樹脂板常發生剝離,適於紅外再流焊,而FR-4(環氧玻璃基板)在紅外再流焊中經常變色。“爆米花”這一詞是專門針對大芯片IC的。IC塑料封裝極易吸潮,當加熱時間過長時,潮氣就會釋放出來。再流焊時,潮氣氣化,在芯片底部的封裝薄弱接口處積累成一個氣泡,封裝受到氣泡的壓力,就會發生開裂。這一現象與芯片的尺寸、芯片下面的塑料厚度、塑料封裝與芯片之間的粘合質量有關,尤其是與潮溼量有關。而在波峰焊中,幾乎不會發生爆裂。目前的解決辦法是:先烘乾IC,然後密封保存並保持乾燥。或者在使用前幾個小時進行100ºC以上的預先烘烤。這一點在我們一個保護板卡上出現過,後來是將厚器件當潮敏器件管理才解決此問題。超聲清洗的損害。超聲清洗對於清除PCB上殘留的助焊劑很有效。缺點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破壞PCB及板上的組件。超聲波清洗有可能造成兩種破壞後果,小液滴對錶面的碰撞就像噴砂,類似於表面風化。在清洗槽內,陶瓷基板受到超聲負載激勵而呈現共諧狀態。基板上,表面貼裝組件的引腳則以共諧波頻率受到週期性的作用,最終導致在引腳的彎曲處發生疲勞斷裂。

如何更可靠的焊接電子產品

裝卸和移動造成的焊點失效。電子產品從元器件裝配、電路組裝和焊接直到成品的運輸和使用的整個壽命週期內,可能會承受由於機械負載引起的各種振動和衝擊。例如,引起片狀電容器產生裂紋的一個常見的原因是印製板彎曲。從很緊的夾具中把印刷板拆卸下時就會出現這種現象。製造過程中的機械負載,由於印製板彎曲可能會給焊點和組件施加過量的應力,這包括三個方面:大通孔組件的焊點所受應力很容易超過屈服極限。如果PCB上有比較重的組件如變壓器,則應該選擇夾具支撐。無引線陶瓷組件也很容易發生斷裂。當片式組件從多層板上分離時,組件發生斷裂的危險性相當高,所以最好不要將片式電阻電容放在容易變曲的地方。在IC器件也會發生焊點斷裂。鷗翼形引線在板的平面方向是柔性的,但在與板垂直的方向是剛性的。如果帶有大的細間距IC的PCB有一個角發生翹曲,而沒有支撐,或者由於不正確地調整測試夾具而形成機械負載,會對焊點造成威脅。

運輸過程中的振動。焊點的形狀是圓而光滑的,沒有應力集中的尖角。所以,振負載通常不會損壞焊點,而會破壞引線。特別是重的組件和只有少量的(2或3根)長的排成一列的柔性引線的組件(例如大的電解電容)會遭受振動。這會導致受到機械負載最多的印製板上的組件引線發生疲勞斷裂。

機械衝擊。因為焊點具有良好的體積和形狀,所以受機械衝擊時,焊點一般是不會損壞的。但是焊接結構的其他部分會發生失效。如大而重的有引線組件受機械衝擊後產生的大慣性力會引起PCB板上覆銅的剝離或板斷裂,進而,組件本身也會損壞。為了解決這一問題,要求大而重的組件有足夠的機械支撐固定,而且要求引線應柔性的。混裝電路板的表面組裝電路部分由於其焊點比通孔插裝焊點小得多,且引線不穿過電路板,焊點處機械強度較小,更容易受到衝擊損壞的危險。為了增加焊接結構的機械強度,應從焊接材料的配方入手,使焊膏在焊接時不易形成焊球。助焊劑殘餘物易於清除。塗敷焊膏用量應適當,在滿足機械強度和電氣性能的前提下,焊點要小,另外要選擇適當的焊接方法,建立最佳的溫度曲線,從而提高焊接結構的整體可靠性。

如何更可靠的焊接電子產品

老化。根據實際的應用,電子電路會承受各種各樣的負載。空氣環境如潮溼、汙染的氣體和蒸汽;煙霧;溫度:熱、冷及溫度週期性變化;機械負載:振動和衝擊、恆力(重力等)、長期的彎曲(安裝不正確)。會造成化學和電化學腐蝕;板析的退化;焊料中的錫與焊接金屬之間合金層的生長;由於彈性塑性變形產生蠕變斷裂;熱及機械焊接疲勞。

腐蝕。空氣汙染所致的乾性化學腐蝕危險性小。但如遇到含硫的氣體時,氣體中的硫會與焊點上的銀髮生反應,形成Ag2S,從而降低焊點上的可焊性。在潮溼和有偏置電壓的情況下,腐蝕和金屬遷移將很容易發生(由於電解作用,金屬析出蔓延形成樹枝狀晶體)。所有的焊接金屬都可能發生遷移,銀是最敏感的金屬。

基板材料老化。基板材料在溫度升高時發生老化,而且溫度越高老化越快。印製板製造商規定的失效標準是:彈性強度減半。這意味著當彈性強度減小一半時,材料已經老化到失效了。使用溫度的最高允許值取決於產品的“運行”時間。對電路來講,連續運行的時間是105h。所以印製板的使用溫度應控制在80-100ºC,這由板的材料和要求的“運行”時間來決定。

合金層。合金化合物不僅僅是像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出固化反應(焊料中的鉛不能阻止這種反應),甚至在室溫下,都可能發生這樣的反應。例如,一年後Cu–Sn層的厚度會增加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,其他則較軟,如AuSn4,Ni–Sn合金層則是中等硬度。有關合金層的可靠性方面要注意軟合金層將導致焊點破裂,特別容易發生在含金的焊料中。整個薄層合金的變化將導致粘附力的降低或電接觸的老化。在焊接金屬與合金層之間的接口處會出現焊接金屬的伴生物,如銅——錫合金層之間出現的SnO2。

蠕變斷裂。材料在長時間的恆溫、恆應力作用下,即使應力小於屈服強度也會慢慢地產生塑性變形的現象稱為蠕變。這種變形引起的斷裂稱為蠕變斷裂。不同的材料出現蠕變的溫度不同。一般來說,當溫度超過材料熔點的0.3倍以上時,才出現較明顯的蠕變。而錫鉛焊料在室溫下已有蠕變現象。為了防止重的組件造成的蠕變破裂,建議有引線組件的焊點施加的應力不超過0.1N/焊點。焊點在焊接後多少會釋放一些應力,如果焊點位於PCB的某一彎曲的位置,就會受到持久的擠壓。大尺寸IC的焊點,帶有相對較硬的引線,這樣的焊點在這種情況下會斷裂。因為蠕變是一種緩慢的變形,也許產品在用戶使用中會突然斷裂。如果焊料同發生塑性形變的引線固化在一起,就會發生蠕變斷裂,這取決於引線的硬度和塑性形變量。

焊接疲勞。組件、焊料以及基板材料有著不同的熱膨脹係數。同時,週期性的溫度改變,散熱的變化以及環境溫度的改變都會引起每次溫度改機械應力。這部分應力由蠕變釋放出來,從而引起每次溫度改變時的塑性形變。這種累積的破壞性影響將最終導致焊點的疲勞斷裂。

如何更可靠的焊接電子產品

綜上所述,影響焊點質量的因素有很多,我們探討了製造過程中的機械負載、熱衝擊、裝卸和移動造成的破壞、老化等方面的原因,那麼在操作時,應該採取以下措施來保證焊點的質量:溫度循環負載要儘可能小;元器件要儘可能小;熱膨脹係數要匹配;採用柔性引線;儘量不要裝配那些大而重的組件,通過柔性引線進行電氣連接;通孔與引線的配合應緊密,但不要太緊;印製板的裝配應保證在板的水平方向能自由移動,否則週期性的彎曲會破壞大組件的焊點;焊點尺寸和形狀要適當;在單面板上安裝通孔組件,焊點要飽滿;焊料合金要達到最大的疲勞壽命。可以通過優化兩個特性:疲勞屈服點和蠕變阻抗,使焊料合金的疲勞壽命達到最大值。通過以上分析,SMT焊點的質量與可靠性由以下因素決定良好的焊接工藝質量;儘量不要對焊點、組件和印製板造成損壞;操作中選擇能夠承受負載的材料和結構;

表面組裝技術中,焊點的質量保證是最主要的。這涉及了方方面面的問題,必須在質量管理上下功夫,使各種影響焊點質量的因素儘量減小,這樣才能提供良好的質量保證。


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