電子產(chǎn)品在焊接過(guò)程中的可靠性問(wèn)題研究

黃彩鈴

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅天水 741025)

焊接是電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受電子產(chǎn)品日趨復(fù)雜、貼片元器件精細(xì)化發(fā)展等因素影響，使電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量發(fā)生了新的變化，焊接質(zhì)量也成為影響電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，而當(dāng)前開(kāi)展電子產(chǎn)品焊接工作還容易出現(xiàn)鉛污染、局部焊點(diǎn)冷焊、焊點(diǎn)空洞等問(wèn)題，不僅無(wú)法保證電子產(chǎn)品實(shí)際使用性能，還不利于電子制造業(yè)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，需要加強(qiáng)電子產(chǎn)品焊接可靠性研究與分析，并采用有效技術(shù)措施對(duì)電子產(chǎn)品焊接過(guò)程進(jìn)行科學(xué)規(guī)范與把控，在減少質(zhì)量缺陷出現(xiàn)的同時(shí)，提高電子產(chǎn)品焊接工藝技術(shù)水平[1]。

1 影響電子產(chǎn)品焊接可靠性的主要因素

1.1 焊料使用

長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)SnPb 共晶焊料都是電子產(chǎn)品組裝過(guò)程中最合適的焊料，并且這種焊料具有使用便利、價(jià)格低、焊接穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。但是鉛的使用會(huì)引發(fā)環(huán)境污染問(wèn)題，使用無(wú)鉛焊料開(kāi)展電子產(chǎn)品組裝工作也越來(lái)越流行。無(wú)鉛焊料要完全替代有鉛焊料，除了要具備優(yōu)良電學(xué)力學(xué)性能以外，還要兼容目前已有的焊接工藝，這些焊料有SnCu、SnAgCu等，盡管這些無(wú)鉛焊料在電子產(chǎn)品組裝中進(jìn)行運(yùn)用可以取得較好的效果，但是無(wú)鉛焊料使用也存在一些可靠性問(wèn)題，具體表現(xiàn)如下。

1.1.1 鉛污染

無(wú)鉛焊料在電子制造業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛普及，并不是一朝一夕能夠完成的，并且焊接工藝從有鉛向無(wú)鉛方向發(fā)展，也會(huì)有一個(gè)過(guò)渡期，也正是因?yàn)橛秀U焊料的存在，使無(wú)鉛工藝應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生一定的鉛污染，鉛元素的加入會(huì)使無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)降低，進(jìn)而對(duì)電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量帶來(lái)不利的影響[2]。

1.1.2 錫須生長(zhǎng)

錫晶須是焊點(diǎn)在錫層表面自發(fā)長(zhǎng)出的Sn單晶體，會(huì)對(duì)錫晶須生長(zhǎng)產(chǎn)生影響的內(nèi)外因素主要有鍍層、基底材料、溫度、電流等，通常錫晶須的生長(zhǎng)速度較為緩慢，然而當(dāng)它跨兩互連焊點(diǎn)的距離與鄰近焊點(diǎn)連接起來(lái)以后，就容易引發(fā)橋接短路問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)器件造成嚴(yán)重的影響，若焊接工作開(kāi)展對(duì)傳統(tǒng)有鉛焊料進(jìn)行運(yùn)用，就可以通過(guò)鉛元素對(duì)錫須生長(zhǎng)進(jìn)行抑制，不過(guò)無(wú)鉛焊料使用以錫晶須問(wèn)題又開(kāi)始暴露出來(lái)，這也會(huì)降低電子產(chǎn)品焊接的可靠性。

1.1.3 電遷移

在電壓作用下，金屬中的原子會(huì)跟隨電流進(jìn)行移動(dòng)，從微觀上看就像是發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，金屬原子朝著陽(yáng)極附近不斷地靠近，在陰極附近則會(huì)出現(xiàn)孔洞、裂紋等現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)電路短路、熔斷等問(wèn)題，對(duì)電遷移進(jìn)行深入的探究，發(fā)現(xiàn)其是一個(gè)復(fù)雜的工作過(guò)程，涉及的電流密度、焊點(diǎn)成分、溫度梯度等諸多因素都可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，而使用的無(wú)鉛焊料Ag、Sn 也容易隨著電流進(jìn)行遷移運(yùn)動(dòng)，容易造成無(wú)鉛焊點(diǎn)存在潛在的電遷移性，電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量也無(wú)法得到保證[3]。

1.2 焊接工藝

在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，較常使用的焊接工藝主要有兩種：一種是波峰焊，即將熔化以后的軟釬焊料經(jīng)過(guò)電動(dòng)泵噴流成設(shè)計(jì)要求的焊料波峰，預(yù)先裝有元器件的抑制板通過(guò)焊料波峰也能與印制板焊盤(pán)之間的機(jī)械與電氣進(jìn)行有連接；另一種是回流焊，實(shí)際作業(yè)主要是通過(guò)重新熔化預(yù)先分配到印制板焊盤(pán)上的焊膏，使表面組裝元器件引腳與印制板焊盤(pán)之間的機(jī)械和電氣進(jìn)行有效連接。伴隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，元器件集成度也越來(lái)越高，并朝著小型化方向發(fā)展，這時(shí)開(kāi)展電子產(chǎn)品焊接工作，對(duì)回流焊工藝應(yīng)用也愈發(fā)關(guān)注，焊接過(guò)程溫度變化也會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品焊接可靠性產(chǎn)生極大的影響，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

1.2.1 預(yù)熱升溫

通常預(yù)熱區(qū)的溫度介于130～180 ℃，這一溫度時(shí)間要控制在60～120 s，在運(yùn)用無(wú)鉛焊料工藝進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，預(yù)熱和升溫過(guò)程段需要緩慢地進(jìn)行，以保證遇到元器件較多的多層板、大尺寸板等時(shí)可以均勻的受熱，若整個(gè)過(guò)程升溫過(guò)就會(huì)擴(kuò)大不同元器件與印制板的溫差，最終焊接可靠性也無(wú)法得到保障。

1.2.2 快速升溫

這一區(qū)域又被稱(chēng)為助焊劑浸潤(rùn)區(qū)，溫度需要由180oC上升至217oC，由于電子產(chǎn)品焊接過(guò)程所使用無(wú)鉛焊料對(duì)溫度要求較高，因此實(shí)際升溫出現(xiàn)較為緩慢的情況，助焊劑就會(huì)提前結(jié)束活化反應(yīng)，甚至?xí)乖骷_、焊盤(pán)焊料等受到高溫影響出現(xiàn)重新氧化的情況，焊接界面可靠性也會(huì)明顯降低[4]。

1.2.3 回流區(qū)

要保證形成良好的焊點(diǎn)，還要對(duì)回流區(qū)溶解、擴(kuò)散和冶金連接過(guò)程引起關(guān)注，在上述中已經(jīng)提到無(wú)鉛焊料需要較高的溫度，實(shí)際作業(yè)除了要保證充分焊接以外，還要防止溫度過(guò)高對(duì)元器件造成破壞。為此，要對(duì)回流區(qū)的峰值溫度進(jìn)行合理設(shè)置，不過(guò)操作中沒(méi)有根據(jù)實(shí)際對(duì)最高峰值溫度進(jìn)行有效控制，最終焊點(diǎn)可靠性也不能得到保證。

1.3 檢測(cè)技術(shù)

采用可靠性檢測(cè)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查，是保證電子產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。目前對(duì)于宏觀的焊接缺陷，主要是采用人工目測(cè)檢查，實(shí)際作業(yè)存在的主要問(wèn)題是主觀性太大，并且只能對(duì)焊點(diǎn)的形狀、尺寸、表面特征等進(jìn)行檢測(cè)，雖然可以通過(guò)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品焊接過(guò)程存在的問(wèn)題進(jìn)行自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，但是這一技術(shù)應(yīng)用也只能針對(duì)外在焊點(diǎn)缺陷，無(wú)法對(duì)微米級(jí)水平的缺陷進(jìn)行檢測(cè)分析、準(zhǔn)確定位缺陷和獲取工藝參數(shù)，極大降低了電子產(chǎn)品焊接可靠性。

2 電子產(chǎn)品焊接過(guò)程較常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題

電子產(chǎn)品焊接過(guò)程中常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題具體有以下方面。

2.1 局部焊點(diǎn)冷焊

對(duì)于熱容量不同的焊點(diǎn)，在不能及時(shí)接收足夠熱量以后，形成的金屬件化合物厚度也存在較大的差異，并容易產(chǎn)生焊點(diǎn)間結(jié)合強(qiáng)度不足問(wèn)題，無(wú)法滿足電子產(chǎn)品焊接可靠性要求。

2.2 橋連

在回流焊中，電子產(chǎn)品進(jìn)行爐膛內(nèi)部運(yùn)動(dòng)焊接，經(jīng)由熱風(fēng)和軌道引起的震動(dòng)、擾流影響，也容易引發(fā)橋連位移隱患。

2.3 焊料浸潤(rùn)不良

當(dāng)焊錫合金沒(méi)有受到表面張力和氧化層的影響以后，其就不會(huì)具備較好的擴(kuò)散能力，進(jìn)行焊接作業(yè)焊點(diǎn)可靠性也就無(wú)法得到保障[5]。

2.4 焊點(diǎn)空洞

受到助焊劑蒸發(fā)不完全影響，導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部填充空洞問(wèn)題出現(xiàn)，對(duì)空洞產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行深入分析，主要是Cu暴露在空氣中進(jìn)行氧化會(huì)生成磚紅色的Cu2O，經(jīng)過(guò)高溫作用以后又會(huì)生成黑色的CuO，最終水蒸氣被裹挾在焊料中冷卻以后就會(huì)形成氣泡。

2.5 元件破裂

在回流焊工藝應(yīng)用下，電子產(chǎn)品焊接出現(xiàn)原件破裂情況，主要是因?yàn)楹附舆^(guò)程板材與元件之間的熱不匹配導(dǎo)致，當(dāng)焊接溫度出現(xiàn)過(guò)高和冷卻速率不達(dá)標(biāo)情況時(shí)，就容易引發(fā)元件應(yīng)力集中情況。

3 提高電子產(chǎn)品焊接過(guò)程可靠性的策略探究

3.1 科學(xué)選擇焊料

由于焊料的選擇會(huì)影響電子產(chǎn)品焊接的可靠性，因此要對(duì)焊料選擇引起高度重視?，F(xiàn)階段，電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造已經(jīng)廣泛使用無(wú)鉛焊料，并且要求無(wú)鉛焊料有優(yōu)良電學(xué)力學(xué)、兼容目前已有焊接工藝、較好的濕潤(rùn)性等性能。為防止實(shí)際使用中出現(xiàn)鉛污染、電遷移等情況，降低電子產(chǎn)品焊接的可靠性，技術(shù)人員應(yīng)掌握常用無(wú)鉛焊料類(lèi)型及相關(guān)性能，如表1 所示。在結(jié)合實(shí)際對(duì)焊料進(jìn)行科學(xué)合理選擇以后，要防止焊接質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)，還要對(duì)焊劑引起高度重視，具體包括助焊劑和阻焊劑兩項(xiàng)內(nèi)容。前者一般可分為無(wú)機(jī)助焊劑和有機(jī)助焊劑，實(shí)際應(yīng)用可以溶解去除金屬表面存在的氧化物，并且在焊接加熱過(guò)程中也能對(duì)金屬表面進(jìn)行有效包圍，使之與空氣隔絕，金屬在加熱時(shí)氧化降低熔融焊錫表面張力問(wèn)題也能防止發(fā)生，在促進(jìn)焊錫濕潤(rùn)中增強(qiáng)焊接可靠性。后者則是通過(guò)阻焊劑促使焊料只在焊點(diǎn)上進(jìn)行焊接，對(duì)于不需要焊接的印制電路板，就可以將之有效覆蓋起來(lái)，保護(hù)面板在焊接時(shí)受到的熱沖擊更小，發(fā)生氣泡、橋接、短路等問(wèn)題的概率也會(huì)明顯降低。另外，在對(duì)焊劑進(jìn)行使用時(shí)，還要注意把握焊件面積大小和表面狀態(tài)情況，通過(guò)控制好焊劑用量保障產(chǎn)品焊接的質(zhì)量[6]。

表1 電子產(chǎn)品焊接常用無(wú)鉛焊料類(lèi)型及相關(guān)性能

3.2 優(yōu)化焊接工藝

在上述中已經(jīng)提到電子產(chǎn)品生產(chǎn)制作，較常采用的焊接工藝主要有波峰焊和回流焊兩種，實(shí)際作業(yè)由于現(xiàn)代的元器件集成度比較高，并朝著微型化方向發(fā)展，因此開(kāi)展電子產(chǎn)品焊接作業(yè)，使用回流焊工藝越來(lái)越多，具體焊接過(guò)程中也極容易受到溫度變化影響，降低焊接的可靠性。要妥善解決這一問(wèn)題，除了要加強(qiáng)回流焊過(guò)程溫度控制以外，還要堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，極大保障電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

在回流焊工藝應(yīng)用方面，要透過(guò)回流焊的溫度曲線圖，了解到焊接過(guò)程溫度變化對(duì)工藝應(yīng)用可靠性的影響，然后從升溫預(yù)熱、快速升溫、回流冷卻3 個(gè)環(huán)節(jié)入手，對(duì)焊接過(guò)程溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，在升溫預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)可以將溫度設(shè)置在130～180oC 左右，并保證預(yù)熱和升溫過(guò)程段都是緩慢進(jìn)行的，保證電子產(chǎn)品元器件可以受熱均勻，在減少不同元器件與印制板溫差以后，焊接可靠性也會(huì)得到明顯的提高；在快速升溫環(huán)節(jié)要將溫度從180oC 升溫至217oC，就要對(duì)助焊劑進(jìn)行有效使用，使助焊劑在充分活化以后，對(duì)焊接界面氧化層薄膜進(jìn)行有效去除，執(zhí)行時(shí)加強(qiáng)升溫斜率控制就能提高升溫速度，促進(jìn)助焊劑在高溫狀態(tài)下充分發(fā)揮活化反應(yīng)，避免對(duì)焊接界面可靠性產(chǎn)生不利的影響；在回流冷卻環(huán)節(jié)要將最高峰值溫度控制在（235±5）oC以內(nèi)，并對(duì)回流區(qū)峰值溫度、峰值時(shí)間和回流時(shí)間進(jìn)行合理設(shè)置，以保證焊接作業(yè)可以形成良好的焊點(diǎn)，待焊接完成以后又要將降溫速率控制在3～5oC/s之間，以防止溫差過(guò)大造成電子產(chǎn)品元器件損壞[7]。

在焊接工藝優(yōu)化創(chuàng)新方面，可以選擇焊接工藝比較多，如激光焊接、電子束焊接等。前者是通過(guò)激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，并通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率等激光參數(shù)，使工件熔化形成特定的熔池，具有焊接速度快和深寬比大的特點(diǎn)。后者則是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產(chǎn)生熱能進(jìn)行焊接的方法，因具有不用焊條、不易氧化、熱變形量小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天、電氣電工等眾多行業(yè)中。在對(duì)這些新焊接工藝進(jìn)行選擇使用時(shí)，還要注意焊料與這些工藝的契合性，以保證和提升焊接質(zhì)量。

3.3 加強(qiáng)質(zhì)量檢測(cè)

選擇合適檢測(cè)技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品焊接可靠性進(jìn)行檢查分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程存在的質(zhì)量缺陷，并為后續(xù)修正提供有力的信息支持。實(shí)踐中可以結(jié)合不同情況對(duì)人工目測(cè)、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)等技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，在人工目測(cè)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面，人們通常會(huì)通過(guò)肉眼觀察、輔助顯微鏡等方式，對(duì)尺寸較大元器件的宏觀焊點(diǎn)進(jìn)行檢查，可以觀測(cè)到的焊點(diǎn)缺陷情況有橋接、焊膏未熔化等，不過(guò)隨著電子產(chǎn)品元器件朝著集約化和微型化方向發(fā)展，這種焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)方式運(yùn)用效果也會(huì)持續(xù)降低，需要探尋新的檢測(cè)技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決焊接存在缺陷。在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面，就很好地適應(yīng)了元器件尺寸不斷減少、PCB 板上貼片密度增加等要求，執(zhí)行時(shí)可以采用專(zhuān)用檢查儀器通過(guò)光電對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行照射，然后用光學(xué)鏡頭對(duì)反射光進(jìn)行采集運(yùn)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)分析處理以后，也能得到元器件焊接情況科學(xué)判斷的結(jié)果，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的焊膏故障、器件貼裝故障、元器件焊接故障等問(wèn)題，也能直觀、形象地展現(xiàn)出來(lái)，以為后續(xù)焊接作業(yè)持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)提供有力的支撐[8]。另外，還可以采用超聲波檢測(cè)法自動(dòng)化、X 射線檢測(cè)法自動(dòng)化等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量的有效檢測(cè)。其中，通過(guò)超聲波檢測(cè)法自動(dòng)化對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，就可以通過(guò)超聲波的反射信號(hào)對(duì)元件進(jìn)行細(xì)致探測(cè)，特別是對(duì)于IC 芯片封裝內(nèi)部出現(xiàn)的空洞、分層等缺陷情況，均能通過(guò)該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在查明缺陷發(fā)生真正原因以后，就能在后續(xù)焊接作業(yè)中進(jìn)行控制與解決。通過(guò)X射線檢測(cè)法自動(dòng)化對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，基本上可以檢查電子產(chǎn)品全部的工藝缺陷，執(zhí)行時(shí)可以利用X射線的透視特點(diǎn)，對(duì)焊點(diǎn)形狀進(jìn)行檢查，甚至還可以與電腦庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)形狀進(jìn)行對(duì)比，以科學(xué)判斷焊點(diǎn)的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文是對(duì)電子產(chǎn)品在焊接過(guò)程中可靠性問(wèn)題的分析，隨著電子元器件朝著集約化、微型化等方向發(fā)展，對(duì)電子產(chǎn)品焊接可靠性也提出更高的要求，而做好電子產(chǎn)品焊接工作后，也能極大保障電子產(chǎn)品質(zhì)量。不過(guò)在實(shí)際作業(yè)中，電子產(chǎn)品焊接還常常會(huì)受到焊材使用、焊接工藝、質(zhì)量檢測(cè)等因素影響，導(dǎo)致焊接空洞、分層、橋連等問(wèn)題發(fā)生，要提高電子產(chǎn)品焊接過(guò)程的可靠性，就要優(yōu)先考慮無(wú)鉛焊料使用，并加強(qiáng)回流焊工藝過(guò)程溫度控制，對(duì)于新出現(xiàn)的激光焊接、電子束焊接等工藝也要積極采用，同時(shí)深化落實(shí)好焊接質(zhì)量檢測(cè)工作，以切實(shí)保障電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量，使電子制造業(yè)獲得穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展。