電子產品在焊接過程中的可靠性探討

楊志勇

摘 要： 隨著科技的發展和天線類電子產品的精密化和功能化程度越來越高，對于電子產品工藝提出了更高的要求，就電子產品焊接工藝而言，全新工藝方法以及焊接設備不斷更新，以此來保證焊接的可靠性。尤其是在電子產品的大熱容量焊點的工作過程中，要保證良好的焊接效果，就更需要保證焊接過程中的可靠性。因此，本文將結合理論研究和實踐經驗，進行電子產品大熱容量焊接過程中的可靠性探討，以期電子產品焊接技術發展貢獻自己的力量。

關鍵詞： 電子產品；焊接；可靠性

一 引言

移動通信天線類電子產品的特性，其內部結構主要是由鈑金件、壓鑄件、PCB電路板、同軸電纜等多類型、多品種零件組裝及結構件焊接而成。這類產品的焊點的特性是熱容量大，傳統的焊接設備和工藝是：采用大功率烙鐵，通過烙鐵嘴對焊點進行直接接觸傳導熱量，同時輔助焊錫絲進行焊料填充的一種接觸式焊接方法。傳統的焊接方法采用的是單點焊接，生產效率低，回流焊采用的是整體加熱方法焊接，可同時焊接多個焊點，生產效率高，適合于大批量生產。。因此，目前的天線類電子產品應該采用回流焊進行焊接，需要設計印刷工裝以及印刷用網板進行涂抹焊膏，設計回流溫度曲線及鏈速，同時焊接時需要制作焊接工裝來固定焊接件。焊接后的天線需要滿足設計圖紙要求，要保證天線類電子產品的質量和使用安全，就需要保證焊接技術的可靠性。

二 焊料可靠性

在焊接過程中，采用的是低溫焊料SnPb，這主要是由于低溫焊料具有價格便宜、焊接便利以及使用穩定的特點，所以在電子產品組裝過程中一直廣泛使用SnPb作為焊料。但是，由于其中鉛大量存在，將導致環境勿擾。所以，自1990年開始美國就提出了限制電子電器使用的有害成分相關要求，其中就包括鉛。自此全世界的電子行業都開始了無鉛焊接的探索和研究，到2003年便出臺了相關的指令和標準。到目前，無鉛焊接已經在電子產品組裝中廣泛使用。

無鉛焊接技術不斷進步和發展，目前已經開始使用SnCu、SnAg以及SnAgCu等焊料進行焊接。通過實踐和應用發現，目前無鉛焊接表現出了來年更好的電學以及力學性能，而且焊接成本也能夠控制在可接受的范圍之內。但是，在使用過程中還存在一些可靠性問題。

（一）鉛污染問題

雖然，電子組裝技術發展已經開始廣泛使用無鉛焊接技術，但是由于無鉛焊接的普及工程很大，這不僅屬于電子行業范疇，而且還涉及到工業界的方方面面，需要很長時間的發展和完善。因此，從有鉛到無鉛需要很長的時間進行過渡，因此就出現了有鉛無鉛混合焊接技術。因此，在焊接過程中依然存在一定含量的鉛，所以還是會產生一定的鉛污染。而且由于在焊接過程中摻雜了一定量的鉛，所以會使得無鉛焊接的熔點降低，使得使用周期變短，使用狀況不佳，還是會導致嚴重的鉛污染問題。

（二）錫須生長

錫須是生長在焊點錫層表面的錫單晶，通常為須狀，是應力與原子擴散相互作用的結果。影響錫須生長的外部因素包括力、濕度、溫度和電流，內部因素包括涂層、基材和結構特性。錫晶須通常以較慢的速率生長，但是一旦它們跨越兩個互連焊盤之間的距離，橋接它們到相鄰焊盤的短路會對器件產生顯著影響。在電子產品的焊接過程中，必須防止或減緩錫晶須的生長。

采用傳統的含鉛焊料，由于一定的相互作用，鉛可以有效抑制錫須生長，避免錫須生長缺陷。然而，無鉛焊料的使用暴露了錫須的問題，引起了業界的廣泛關注。目前的解決方案主要集中在無鉛焊料成分的改進、無鉛焊接工藝的改進、退火處理以及阻擋層和有機涂層的使用，盡管錫須的可靠性仍然值得警惕。由于錫須通常在電鍍數年甚至數十年后生長，所以對產品的長期使用還是存在很大的潛在危險。

（三）電遷移

電遷移是金屬中的原子在電壓作用下隨電流移動的現象，在微觀上引起類似的擴散。隨著電遷移過程的進行，金屬原子不斷聚集在陽極附近，而空穴或裂紋出現在陰極附近，導致短路或開路。電遷移是一個非常復雜的過程，它與封裝結構、焊點組成、電流密度和溫度梯度有關。內部原因主要是薄膜導體結構的不均勻性，外部原因主要是電流密度的增加。

但是，在無鉛焊接中電流遷移現象更加明顯，尤其是Ag、Sn的存在，更加容易發生電流遷移，會造成嚴重的無鉛焊點的電遷移現象。所以，要想保證無鉛焊接的可靠性就需要重視電遷移現象，對此進行深入研究，盡量減少電遷移現象的出現。

三 工藝可靠性

在電子產品大量生產以及天線類電子產品的大量使用中，出現了回流焊焊接工藝。回流焊接工藝是通過對預先分配到焊盤上的焊膏進行重熔，然后完成機械和電氣連接。隨著天線類電子產品的集成度的不斷提高和功能化，回流焊接技術在電子產品發展過程中發揮著越來越重要的作用。本文在工藝可靠性方面是以回流焊為例，進行焊接工藝研究。

SMT回流焊的溫度曲線圖一般如圖1所示，下文將對焊接過程中的溫度變化為例研究整個工藝的可靠性：

（一）升溫預熱區

通過上圖可以看出升溫區的在達到130℃之前的升溫速率能夠達到1℃/s～3℃/s，所以達到130℃需要30s～100s。而且在實際的應用中，往往預熱區的溫度會設置為130℃左右，時間也大約需要60s左右。而且，在無鉛焊接中過程相對緩慢的是預熱和升溫過程，要想保證焊接工藝的可靠性，就需要保證在電子元件集中、多層板以及元件板較大的焊接過程中，要保證焊接過程總的受熱均勻，要減少不同元器件及印制板的溫差，才能夠保證焊接的質量。

（二）快速升溫區

快速升溫區的工藝過程也叫做助焊劑浸潤區，這個過程需要在升溫預熱區之后將溫度升溫到217℃其主要功能是充分激活焊劑并去除焊接界面處的氧化膜。擴散、溶解和形成良好的焊接界面是一個關鍵步驟。而無錢焊料需要高溫進行操作，所以如果在焊接過程中加熱速度較慢，就會導致焊料長時間處于同一溫度下。如果焊料長時間處于高溫環境下，就會導致焊料的活化反應會提前完成，甚至元器件引腳、PCB焊盤和焊料合金也會在高溫下被再氧化，從而影響焊接界面的可靠性。因此，快速加熱區的加熱斜率尤為重要。

（三）回流區

回流區溶解、擴散以及冶金的連接過程，是保證良好焊點形成的重要前提。以無鉛焊料SnAgCu為例，其熔融溫度需要達到217℃，其中升溫到緩慢降溫，至凝固溫度217℃的區間稱為回流區。而且，在焊接過程中要保證回流區的時間在25-55s，其中要保證230℃的時間保持在20s以下，而且要注意在焊接過程中將最高峰溫度控制在230-240℃之間。

但是由于在焊接過程中，相比較而言無鉛焊料需要更高的焊接溫度，所以在實際操作過程總不僅需要保證充分焊接，而且需要保證高溫環境下PCB板和元器件的使用狀況良好。所以，在回流區的峰值溫度、時間以及回流時間要進行科學規劃和設置，提高焊接過程的可靠性。

（四）冷卻區

冷卻區是焊接后的冷卻過程，需要將冷卻速度控制在3 ～ 5℃/ S。由于無鉛焊料回流區的峰值溫度較高，因此進入冷卻區的產品的初始溫度較高。為避免凝固時間過長引起晶粒粗化，冷卻速度應較高。但冷卻速度不能太大，防止因溫差過大而損壞部件。

總結與展望

電子產品在焊接過程中影響可靠性的因素很多，其影響機理復雜。尤其是隨著天線類電子產品也呈現出精密化和多功能化的發展趨勢也對焊點的可靠性提出了新的挑戰。這就要求我們深入研究焊點的結構和斷環機理，制定更準確、更易于應用的可靠性評估技術規范和可靠性壽命預測模型、求解方法，最終解決天線類電子產品焊接及其長期運行的可靠性問題。

參考文獻

[1]徐玲. IGBT功率模塊封裝可靠性研究[D].華中科技大學，2016.

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