關于引腳處點熱熔膠對焊點可靠性影響的研究

張成成 宣圣貴 江 勇

【摘 要】 在電子行業(yè)中，通常會通過對元器件點熱熔膠來對元器件進行固定。而焊點本身在長期使用過程中，由于長期處于熱疲勞作用下，焊點自身內部氧化物與空洞增加，導致焊點內部脆弱易裂。若此時焊點引腳再受到外力，就會加劇焊點的失效。通過對一批引腳點熱熔膠并且已使用三年的空調主板進行金像分析與試驗，發(fā)現(xiàn)熱熔膠熱脹冷縮的特性嚴重影響了焊點的可靠性。試驗還發(fā)現(xiàn)，具有優(yōu)異柔軟性的熱熔膠對焊點的作用力更大，損壞更嚴重。

【關鍵詞】 熱熔膠 焊點 裂紋 熱疲勞

1 點熱熔膠焊點失效機理與因素

1.2不同材料膨脹系數(shù)的差異。PCB板、元器件引腳、焊錫、熱熔膠等的膨脹系數(shù)本身是存在差異的，當溫度循環(huán)過大時各個材料間會因為膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生應力。一旦產(chǎn)生的應力超過了焊錫的韌性時，焊點內部就會產(chǎn)生裂紋。而點熱熔膠的焊點，會因為熱熔膠熱脹冷縮對引腳附加作用力，進而加速引腳脫焊。

1.3焊點內部金屬氧化物生長的影響。在焊點內部，銅箔與焊錫結合處會形成一層以Cu6Sn5和Cu3Sn為主的硬度和脆性較大的金屬間化合物（IMC）。這種化合物厚度會隨著溫度升高和加熱時間的增加而增加，同時也降低了焊點的抗拉強度。由于電路持續(xù)工作，電流通過焊點或電阻時產(chǎn)生的焦耳熱無法散發(fā)時，就會促進該處焊點Cu與Sn形成Cu6Sn5，同時Cu原子與Sn原子的結合，會導致空洞的產(chǎn)生。隨著IMC層不斷變厚，Cu的擴散變得困難，就會與Cu6Sn5反應生成Cu3Sn。

Cu6Sn5+9Cu→5Cu3Sn

從原子水平看，隨著Cu原子的消耗，以及1個Sn原子和3個Cu原子形成Cu3Sn時，其體積會縮小8.5%的特性，Kirkendall空洞會伴隨Cu3Sn的形成進一步大量出現(xiàn)。隨著時間的增加與熱效應的持續(xù)作用，這些空洞就會在焊點內部形成裂紋。

2 實例剖析

2.1事件描述。一批空調在酒店使用三年半后，大批量出現(xiàn)顯示溫度的雙“8”出現(xiàn)顯示不全情況，故障現(xiàn)象為左“8”或右“8”整體缺失。共計安裝99臺，失效27臺，失效比例接近27%。通過對失效的主板進行分析，發(fā)現(xiàn)主板失效原因為顯示電路打熱熔膠的引腳焊點脫焊。從焊點失效情況來看，初步判定為熱應力與機械應力雙重作用失效，機械應力為主導作用。

2.2焊點失效分析。分別對顯示電路打熱熔膠的脫焊引腳與未脫焊引腳做金像進行分析，很明顯脫焊引腳焊錫層已經(jīng)完全開裂。未脫焊的引腳在沿著引腳IMC層已經(jīng)出現(xiàn)一道裂紋。

結合該批空調都使用在酒店，長期處于工作狀態(tài)。造成此次焊點失效的原因為，空調在售后長期使用，焊點產(chǎn)生大量焦耳熱使焊點內部的IMC層加速形成，焊點的脆性增加。加上引腳外部點有熱熔膠，熱熔膠在空調反復運行與關機過程中熱脹冷縮，對引腳反復施加擠拉的外界作用力，促使了焊點的開裂失效，縮短了主板的壽命。

3 試驗驗證

3.1試驗材料

取13—16年生產(chǎn)的主板共計15塊。用二種熱熔膠進行對比驗證，二種熱熔膠分別編號1號和2號，具體各項參數(shù)如表1：

3.2試驗方法。首先對1號、2號熱熔膠固化過程中對引腳的應力應變情況進行測試。測試發(fā)現(xiàn)1號熱熔膠加熱柔軟性與流動性的特性，使其在固化時對引腳的應力應變最大值達到373uE。而具有100%固成分的2號熱熔膠對引腳的應力應變最大值只有48uE。1號熱熔膠對引腳的作用力要遠大于2號熱熔膠的作用力。

再分別用二種熱熔膠對主板各引腳處進行點熱熔膠處理，熱熔膠要覆蓋整個引腳。再參照IPC-9701標準對試驗條件設置，溫度循環(huán)試驗分別在-40℃到125℃，-40℃維持15min，125℃維持20min，溫度切換時間為2.5min，共計循環(huán)240個周期。

3.3試驗結果。1）從試驗后，熱熔膠外觀來看。經(jīng)過溫度循環(huán)沖擊以后，2號熱熔膠熔點較高，外觀變化不大。而1號熱熔膠熔點較低，已經(jīng)開始流動，且經(jīng)溫度循環(huán)沖擊后，膠體已經(jīng)出現(xiàn)裂紋。2）分別對點1號熱熔膠、2號熱熔膠以及沒有點熱熔膠的焊點在高倍放大鏡下觀察。點1號熱熔膠的焊點，14年及以前生產(chǎn)的用過二年左右的主板已經(jīng)出現(xiàn)輕微開裂，16年生產(chǎn)的未見明顯裂紋；點2號熱熔膠的焊點13-16年生產(chǎn)的都已經(jīng)失效，焊點已經(jīng)嚴重損壞；沒有點熱熔膠的焊點，在13-14年生產(chǎn)且用過三年的主板在引腳上錫不圓潤處出現(xiàn)了裂紋痕跡，而15年以后的主板未點熱熔膠的焊點基本上完好無損。同步觀察在穩(wěn)壓塊、大電容等本體上點熱熔膠的焊點，所有焊點上錫飽滿，均沒有出現(xiàn)裂紋。

4結語

熱熔膠在固定元器件上能起到很好的作用，但在使用熱熔膠固定元器件時要注意點熱熔膠的位置。因為電子產(chǎn)品在長期使用過程中，焊點內部流過的電流產(chǎn)生的焦耳熱促進了焊點內部IMC層和孔洞的形成，使得焊點本身就脆弱易裂。若直接將熱熔膠點在元器件引腳處，熱熔膠熱脹冷縮、軟化固化對引腳的作用力會加劇引腳焊點的實效，縮短電子產(chǎn)品的使用壽命，不利于產(chǎn)品可靠性。因此，用熱熔膠固定電子元器件要在元器件本體處點熱熔膠，不能直接在元器件引腳處點熱熔膠。

【參考文獻】

[1] 黃萍. 焊點的失效模式與分析[J]. 電子工藝技術，2006，27（4）：205-208.