電子裝聯(lián)過(guò)程中常見(jiàn)焊接缺陷與處理措施

呂曉勝

摘 要： 隨著電子產(chǎn)品逐步向小型化、輕量化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，電子裝聯(lián)技術(shù)已經(jīng)成為電子產(chǎn)品穩(wěn)定性及可靠性關(guān)鍵技術(shù)之一。如何提高電子產(chǎn)品的封裝工藝和測(cè)試工藝，減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及制造缺陷，尤其是焊接缺陷，已經(jīng)成為微電子研究領(lǐng)域主要課題。系統(tǒng)介紹了電子裝聯(lián)過(guò)程焊接缺陷的成因，種類(lèi)及關(guān)鍵影響因素；提出了一些解決的措施和方法。

關(guān)鍵詞： 電子裝聯(lián)；焊接缺陷；表面貼裝技術(shù)

1.前言

電子封裝技術(shù)涉及電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、可靠性試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、回流焊接等多種工藝技術(shù)。而目前，很多電子器件通過(guò)焊料組裝在PCB板上，電子工業(yè)中制造及封裝技術(shù)中，通常采用波峰焊、回流焊等焊接技術(shù)，波峰焊通常采用熔融焊料循環(huán)流動(dòng)的波峰面與在通孔中已插有電子元器件的PCB板接觸，使熔融焊料源源不斷的提供給待安裝的元器件機(jī)電路印刷版之間的焊接面上的一種微電子焊接工藝，波峰焊焊接的器件為通孔插裝器件?；亓骱笇?duì)應(yīng)的電子器件則為表面貼裝器件，波峰焊則多用于插裝式電子元件及混合組裝表面貼裝元器件焊接工藝中。 在實(shí)際的微電子焊接工藝中，期望得到的各個(gè)環(huán)節(jié)均為零缺陷，但實(shí)際操作或測(cè)試時(shí)，在貼裝工序、焊接工序測(cè)試工序等過(guò)程均會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，而存在焊接工藝缺陷的影響因素也很多?；诖?，需要分析焊接缺陷的原因，找出解決的措施，進(jìn)行流程優(yōu)化和持續(xù)改進(jìn)，才能生產(chǎn)出更多的優(yōu)良產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本，提高工藝水平[1]。

2.常見(jiàn)焊接缺陷及原因分析

在回流焊接工藝流程中，經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷有冷焊、偏移、立牌、錫珠等問(wèn)題。這些焊接缺陷一旦沒(méi)及時(shí)品鑒，對(duì)于電子元器件可靠性會(huì)造成極大影響。冷焊缺陷主要原因在于焊膏加熱熔化不充分，就開(kāi)始進(jìn)行冷卻操作而造成的回流焊缺陷。冷焊焊接缺陷的元器件板上焊點(diǎn)表面比較粗糙，焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度不能滿(mǎn)足應(yīng)用要求。分析其原因在于回流焊接過(guò)程中，回流焊接爐內(nèi)溫度分布不均勻，或者是由于待焊接元器件及焊接材料在回溫爐內(nèi)時(shí)間短，與元器件焊接接觸時(shí)，焊接材料未能完全處于熔融狀態(tài)。

立碑現(xiàn)象也叫“曼哈頓現(xiàn)象”，多出現(xiàn)在表面組裝的片式元件回流焊焊接過(guò)程，電子元器件兩端由于表面張力不均衡，兩個(gè)焊端可能出現(xiàn)一端良好，另一端在拉力作用下，存在旋轉(zhuǎn)造成呈斜立、豎立、脫離焊盤(pán)表面的現(xiàn)象。元件越小立牌現(xiàn)象出現(xiàn)幾率越高。造成元器件一端脫離焊盤(pán)表面的原因還包括焊盤(pán)尺寸、焊膏厚度、預(yù)熱器、貼裝偏移等。焊盤(pán)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)有足夠的精度要求，具備嚴(yán)密的對(duì)稱(chēng)特性，才能有效化解焊點(diǎn)的受力不均衡問(wèn)題，但是實(shí)際工藝生產(chǎn)過(guò)程，焊盤(pán)尺寸存在偏差，焊錫濕潤(rùn)過(guò)程中元器件存在滑動(dòng)，導(dǎo)致焊盤(pán)旋轉(zhuǎn)造成立牌。而貼裝偏移嚴(yán)重同樣也會(huì)形成立碑[2]。

偏移也稱(chēng)作焊橋，電子裝聯(lián)過(guò)程，因?yàn)楹父噙^(guò)量、印刷錯(cuò)位、塌邊等造成元器件焊接在焊盤(pán)上存在錯(cuò)位的現(xiàn)象。錯(cuò)位多存在與片狀元件間距PCB?；诖?，焊接時(shí)應(yīng)采用激光等光學(xué)定位，定位基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)沿PCB板對(duì)角線上展開(kāi)。

印刷塌邊、貼裝塌邊、加熱塌邊統(tǒng)稱(chēng)為焊膏塌邊。印刷塌邊的影響因素較多，主要與印刷參數(shù)、模板、焊膏特性等關(guān)聯(lián)。假設(shè)焊膏粘度低，可塑性就差，或者模板粗糙度不均勻，在印刷過(guò)程容易發(fā)生塌邊；貼裝過(guò)程中如果貼裝壓力偏大，造成焊膏成形不好；而在焊接加熱時(shí)，回爐溫升過(guò)快，焊膏中易揮發(fā)溶劑揮發(fā)加快，容易把焊料顆粒擠出焊區(qū)，從而導(dǎo)致塌邊現(xiàn)象。

錫珠現(xiàn)象也稱(chēng)焊錫球，多是因?yàn)榧彼偌訜釙r(shí)，焊料受熱過(guò)速導(dǎo)致產(chǎn)生珠狀物，或者是因?yàn)轭A(yù)熱區(qū)溫度過(guò)低，突然進(jìn)入回流區(qū)也會(huì)產(chǎn)生焊錫球。這種缺陷與助焊劑活性、焊膏氧化程度、焊膏吸濕、焊料顆粒度、PCB板清潔度等有關(guān)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)研究表明，焊料顆粒不均勻（2顆粒含量較大），焊料顆粒表面與空氣接觸后易氧化，焊錫球缺陷發(fā)生概率就會(huì)增加。而且，焊膏干燥不充分，助焊劑活性較低，印制板清洗不干凈等等都會(huì)容易形成錫珠現(xiàn)象缺缺陷。

3.處理措施

3.1氮?dú)猸h(huán)境下回流焊接

試驗(yàn)研究表明，氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w，氮?dú)猸h(huán)境下回流焊接，可以很好解決焊料氧化，增強(qiáng)元器件和PCB焊接面焊膏潤(rùn)濕性，降低焊接回流溫度等問(wèn)題。在氮?dú)庀?，焊接金屬材料表面張力減小，焊膏擴(kuò)展性增強(qiáng)，浸潤(rùn)性得到很好改善[3]。另外，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接能夠增加聚合力，加速焊點(diǎn)成形，提升焊點(diǎn)質(zhì)量。

在空氣下回流焊焊接層內(nèi)部氣孔較多，氮?dú)猸h(huán)境下焊接層內(nèi)部氣孔較少，充分說(shuō)明了氮?dú)猸h(huán)境下焊料延展性和潤(rùn)濕性得到很大改善。界面間氣孔的存在將會(huì)使焊接表面出現(xiàn)裂紋源，從而影響焊接強(qiáng)度，造成電路板安全隱患。

3.2 加強(qiáng)焊接工藝流程優(yōu)化

不斷優(yōu)化焊接工藝流程，對(duì)涂錫膏、貼片、回流焊、檢查、測(cè)試等工序進(jìn)行質(zhì)量控制，在電子封裝焊接工藝中，流程每一步驟操作都會(huì)對(duì)焊接的結(jié)果造成影響。在焊接過(guò)程中，焊盤(pán)設(shè)計(jì)、焊料質(zhì)量、使用方法、焊料材質(zhì)、焊料熔點(diǎn)、溫度曲線、焊接爐內(nèi)溫度均勻性等等，都影響著焊接質(zhì)量。尤其是回流焊接工藝中的溫度曲線，影響程度極大。良好的回流焊溫度曲線可以很好提升焊接質(zhì)量，并減少焊接缺陷，提高電路板及元器件的可靠性[4]。

3.3采用新型回流焊接爐等設(shè)備

為了減少焊接缺陷，應(yīng)加大對(duì)新型焊接設(shè)備的研發(fā)投入，本文設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)式接觸傳熱回流焊接爐。該設(shè)備具有獨(dú)立加熱、冷卻系統(tǒng)，加熱、冷卻工藝獨(dú)立分開(kāi)，互不干擾，升溫、降溫一次成型，大大縮減了焊接時(shí)間，降低了電力消耗。而且適用于流水線操作，不間斷連續(xù)焊接，可實(shí)現(xiàn)真空、氮?dú)猸h(huán)境下回流焊接，有效提高熱利用率和生產(chǎn)效率，大大提高了焊接質(zhì)量。如圖1所示，新型焊接爐三維設(shè)計(jì)圖。

圖1 新型焊接爐三維立體圖

上圖新型回流焊接爐的特點(diǎn)在于具有獨(dú)立的加熱區(qū)與冷卻區(qū)，即獨(dú)立的熱箱、冷箱，有效的儲(chǔ)備了熱、冷能，每次焊接過(guò)程，避免升、降溫等重復(fù)操作及溫度無(wú)法控制的問(wèn)題。焊接爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠減小焊接時(shí)間，綠色環(huán)保、節(jié)能，消除溫度冷熱沖擊對(duì)設(shè)備的壽命損害。該回流焊接爐依靠液氮冷卻，溫度均勻性調(diào)節(jié)區(qū)域大，可實(shí)現(xiàn)快速冷卻功能及大批量工裝焊接。液氮冷卻區(qū)在電熱元件加熱以及液氮蒸發(fā)制冷作用下，形成回流焊接曲線全流程焊接工藝。焊接過(guò)程在氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境中，有效杜絕了焊接過(guò)程中空洞和氣泡出現(xiàn)。液氮冷卻采用外加風(fēng)扇調(diào)節(jié)箱體內(nèi)氣流，或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，從而提高爐內(nèi)溫度均勻性，提升了焊接質(zhì)量。另外，焊接爐控制實(shí)現(xiàn)電腦控制，控制溫度、壓力、流量等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可視化操作。而且工作轉(zhuǎn)盤(pán)為分層結(jié)構(gòu)，焊接區(qū)域容積增加，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)電子元器件大批量一次性焊接，提高了工作效率。

4.結(jié)論

隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，電子封裝及測(cè)試工藝是產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵性技術(shù)。由于操作流程等因素，在電子產(chǎn)品裝聯(lián)過(guò)程和商業(yè)化生產(chǎn)中，焊接缺陷不可避免，如何減少缺陷問(wèn)題，提高產(chǎn)品優(yōu)良率，是值得深入探討的問(wèn)題。通過(guò)詳細(xì)分析電子產(chǎn)品裝聯(lián)過(guò)程中缺陷的現(xiàn)象和原因，針對(duì)問(wèn)題提出解決的措施和途徑，避免焊接缺陷，是一種好的探索。

參考文獻(xiàn)

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[2]安妮.對(duì)電子裝聯(lián)的悍接缺陷與處理探索[J].電子世界，2016，116（9）：155-157.

[3]徐步陸，電子封裝可靠性研究[D].上海，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，2002： 1-118

[4]陳明祥，劉文明，劉勝.MEMS局部加熱封裝技術(shù)與應(yīng)用.半導(dǎo)體技術(shù)[J].2010（11）：1049-1053.