電子產品在焊接過程中的可靠性探究

王 佐

（中航工業航宇救生裝備有限公司,518053)

0 引言

作為全球發展最快的行業之一，電子產品的發展有目共睹。近年來民用電子產品的普及，尤其是移動電子產品，導致電子產品的快速更新換代，大大推動了封裝工藝、材料以及電子制造裝備的發展，使得電子產品的可靠性問題更加突出，對電子產品可靠性研究已成為學術界和產業界非常關注的問題。

其中，由于電子產品日趨復雜、貼片元器件的精細化發展、引腳和走線越來越密和組件板尺寸越來越小等原因，使產品的焊接質量產生了新的變化。因此，焊接質量已成為影響產品質量的關鍵因素，對焊接質量的檢測也越來越重要。本文將對電子產品在焊接過程中的可靠性進行研究，闡述影響其可靠性的幾大因素，對失效原理進行分析，并介紹常用的幾種可靠性檢測技術。

1 焊料可靠性

作為實用的低溫焊料，SnPb 共晶焊料以其使用的便利性、價格的合理性、焊接的穩定性，長期以來一直是電子產品組裝過程中最合適的焊料。但是，鉛的使用會污染人類所處的環境，1990 年美國國會率先提出了“在電子電器的范圍內限制使用有害成分的法案”，其中包括鉛，由此在全世界引發了電子組裝行業無鉛焊料替代有鉛焊料的活動。2003 年歐盟議會和歐盟委員會發布了兩項指令：RoHS 指令《電子電氣設備中限制使用某些有害物質指令》和WEEE 指令《廢舊電子電氣設備指令》，規定產品的兩項標準。截止目前，市場上大部分的電子產品組裝過程中的焊接工藝都已使用無鉛焊料。

為了能完全替代傳統的有鉛焊料，產業界對無鉛焊料有著較高的要求，要求它具有優良的電學和力學性能、優良的潤濕性、無電化學腐蝕、無錫晶須、兼容目前已有的焊接工藝、適中的成本等優良的性能。基于以上原因，目前產業界普遍認為能夠有效取代傳統有鉛焊料的無鉛焊料主要是：SnCu、SnAg 以及SnAgCu 焊料。但是由于目前的種種不成熟，在使用過程中仍然存在一些可靠性問題，無鉛焊料使用的可靠性問題主要有：

（1）鉛污染問題

無鉛焊料的普及過程龐大，涉及工業界的方方面面，并不是一步就能夠完成的，因此焊接工藝在從有鉛工藝向無鉛工藝傳遞的期間，會存在一個過渡期，即無鉛有鉛混合焊的問題。由于有鉛焊料的存在，在無鉛工藝中會產生一定的“鉛污染”。鉛元素的加入，會造成無鉛焊料的熔點降低、使用周期變短等不良的影響。所以，在無鉛焊料的推進過程中，我們應該高度重視鉛污染的問題。

（2）錫須生長

錫晶須是指在焊點的錫層表面自發生長出的Sn 單晶體，通常為須狀，由應力與原子擴散的相互作用產生。影響錫晶須生長的外在因素包括力、濕度、溫度以及電流，內在因素包括鍍層、基底的材料以及結構特性。錫晶須的生長速度一般較慢，但是一旦它跨過兩互連焊點的距離，將其與鄰近的焊點連接起來發生橋接短路，會對器件造成很嚴重的影響。所以在電子產品的焊接工藝中，必須阻止或減緩錫晶須的生長。

使用傳統的有鉛焊料，由于一定的相互作用，鉛元素能夠有效地抑制錫須生長，避免了這種缺陷。但是無鉛焊料的使用，使得錫晶須的問題明顯暴露了出來，引起了業內人員的廣泛關注。目前的解決辦法主要集中在無鉛焊料的成分改進、無鉛焊接工藝改進、退火處理及阻擋層和有機涂層的使用上，雖然如此，錫晶須的可靠性問題還是值得時刻警惕。由于錫須通常在電鍍之后幾年甚至幾十年才開始生長，因而會對產品的可靠性造成潛在的危害比較大。

（3）電遷移

電遷移是指在電壓的作用下，金屬中的原子隨著電流移動，從而在微觀上發生類似擴散的一種現象。隨著電遷移過程的進行，金屬原子不斷地聚集在陽極附近，而陰極附近則出現孔洞或裂紋，從而引起電路短路或斷路。電遷移是一個非常復雜的過程，它同封裝的結構、焊點的成分、電流密度以及溫度梯度等諸多因素有關，內因主要是薄膜導體結構內的非均勻性，外因主要是電流密度變大引起。在無鉛焊料中，Ag、Sn 都比較容易隨著電流發生遷移，容易造成無鉛焊點潛在的電遷移性。因此，要提高可靠性就應重視電遷移問題，并想辦法減少電遷移，需要進行廣泛而深入的研究。

2 工藝可靠性

現代電子產品的大規模生產中，一般的焊接工藝有波峰焊和回流焊兩種。波峰焊是指將熔化的軟釬焊料，經電動泵或電磁泵噴流成設計要求的焊料波峰，使預先裝有元器件的印制板通過焊料波峰，實現元器件引腳與印制板焊盤之間的機械與電氣連接。而回流焊工藝是通過重新熔化預先分配到印制板焊盤上的焊膏，實現表面組裝元器件引腳與印制板焊盤之間的機械與電氣連接。

由于現在元器件的集成度越來越高、小型化的趨勢，回流焊工藝在電子產品組裝過程中占有越來越重要的地位。本文就從回流焊的角度來闡述電子產品在焊接過程中的工藝可靠性。SMT回流焊的溫度曲線圖一般如圖1 所示。下面就焊接過程中的溫度變化來說明工藝對可靠性的影響。

(1) 升溫預熱區

升溫區的溫升速率以1℃/s ～3℃/s 的加熱速率從室溫上升到130℃，大約需要30s ～100s。預熱區的溫度一般設置為130 ～180℃，時間控制在60s ～120s。無鉛焊料的工藝中，其中預熱和升溫過程段需要緩慢的進行，以確保當遇到元器件較多的PCB 板、多層板以及大尺寸板時，能夠受熱均勻，減小不同元器件及印制板的溫差，從而提高可靠性。

(2) 快速升溫區

快速升溫區也叫助焊劑浸潤區，即溫度從180℃升到217℃的過程，主要作用是使助焊劑充分活化并去除焊接界面的氧化層薄膜，是擴散、溶解并形成良好焊接界面至關重要的一步。由于無鉛焊料所需的溫度較高，如果升溫速率較慢，助焊劑長時間處在高溫下則會提前結束活化反應，甚至可能會使元器件引腳、PCB焊盤和焊料合金在高溫下重新氧化，從而影響焊接界面的可靠性。因此，快速升溫區的升溫斜率顯得尤為重要。

(3) 回流區

為了保證形成良好的焊點，關鍵在于在回流區形成良好的溶解、擴散和冶金連接過程。無鉛SnAgCu 焊料從開始熔融時的溫度217℃，經歷緩慢升溫到緩慢降溫，至凝固溫度217℃的區間稱為回流區。回流區的時間控制在25 ～55s，其中超過230℃的時間應控制在20s 以下，最高峰值溫度控制在235℃±5℃。出于無鉛焊料需要較高的溫度，焊接時一方面要保證充分焊接，另一方面還要防止溫度過高對PCB 板和元器件的損壞，因此需要合理設置回流區的峰值溫度、峰值時間和回流時間。如電子產品組裝過程中以FR-4 為基板，印制板所能承受的溫最高溫度為240℃～245℃[10]，而對于熱容量較大的復雜印制板產品，溫度需要高達260℃才能保證焊點的可靠性。

(4) 冷卻區

冷卻區即焊接完之后的降溫過程，需要控制好降溫速率在3 ～5℃/s。由于無鉛焊料的回流區峰值溫度很高，這就決定了產品剛進入冷卻區的初始溫度較高，為了避免凝固時間過長導致的晶粒粗化，降溫速率應該較大。但是降溫速率也不能太大，防止由于溫差過大導致元器件的損壞。

3 可靠性檢測技術

如何選擇適合實際生產質量控制需要的檢測方法，應視產品而定。對于宏觀的焊接缺陷，目前廣泛通過人工目測檢查，其主要問題是主觀性太大，并且只能檢測焊點的形狀、尺寸和表面特征。自動光學檢測可以在整個過程中自動地發現缺陷，但也只是外在的焊點缺陷。激光/紅外線組合式檢測系統、X 射線檢測系統可以分析焊點微米級水平的缺陷，包括空洞等。另外，X 射線檢測系統能一次測試單面或雙面電路，準確地定位缺陷，獲取工藝參數如錫膏厚度等。一個更有效的方法是采取預防行動，即實施過程控制，通過檢測繼續完成缺陷收集、監測和實施改正的過程，以保證問題不再發生。

3.1 人工目測

在電子產品焊接過程中，能使其正常工作的基本要求是：互連圖形完整無缺；元件不錯焊、不漏焊；焊接點無虛焊、無橋連。在SMT 大批量生產中，人們慣用肉眼、輔助放大鏡或者顯微鏡來檢測，基本上能滿足尺寸較大的元器件的宏觀焊點的檢查。人工目測檢驗可以觀測的焊點缺陷情況包括：橋接、立碑、焊膏未熔化等。

普遍使用的人工目測檢驗方法是使用2 ～10 倍的放大鏡或顯微鏡，國際電子工業聯接協會（IPC）標準J-STD-001 要求，對于引腳間距大于0.020″的所有元件使用2 ～4 倍的檢查，對于引腳間距0.020″或以下的密間距元件要求10 倍或者更大的放大系數檢查。檢查中，還可以借助金屬針或竹制牙簽，以適當的力量和速度劃過方形扁平封裝(QFP)器件的引腳，依靠手感及目測來綜合判斷，對于 IC 引腳中存在的虛焊或橋連有著良好的檢測效果。

3.2 自動光學檢測

隨著元器件尺寸的減小、PCB 板上貼片密度的增加，SMT 焊點的檢查難度越來越高，人工目測的穩定性和可靠性都難以滿足生產和質量控制的需要，因此，采用專用檢查儀器實現自動檢測就越來越重要。自動光學檢測能滿足產業界的需要，通過光源對焊點進行照射，用光學鏡頭將反射光進行采集和運算，經計算機圖像處理系統處理，從而判斷元器件的焊接情況。

根據在流水線上的位置，自動光學檢測設備通常分為以下3種：

a )在絲網印刷后，用來檢測焊膏故障；

b)貼片后，檢測器件貼裝故障；

c)回流焊后，同時檢測元器件的貼裝和焊接故障。

4 總結與展望

電子產品焊接過程中可靠性的影響因素眾多，影響的機制也較為復雜。而電子產品輕、薄、小的發展趨勢也給焊點的可靠性帶來了新的挑戰。這需要我們，一方面深入地研究焊點的顯微結構與破環機理，發展出更為準確及便于應用的可靠性評價的技術規范和可靠性壽命預測模型、求解方法，最終解決電子產品無鉛化及其運行的長期可靠性問題；另一方面積極地開發用于電子產品在焊接過程中可靠性評價的新技術，開發先進的失效檢測方法和分析方法，累積失效數據，建立相關的檢測標準與檢測平臺。

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