電子裝聯過程中常見焊接缺陷與處理措施

呂曉勝

摘 要： 隨著電子產品逐步向小型化、輕量化、多功能化、網絡化、智能化發展，電子裝聯技術已經成為電子產品穩定性及可靠性關鍵技術之一。如何提高電子產品的封裝工藝和測試工藝，減少產品的設計及制造缺陷，尤其是焊接缺陷，已經成為微電子研究領域主要課題。系統介紹了電子裝聯過程焊接缺陷的成因，種類及關鍵影響因素；提出了一些解決的措施和方法。

關鍵詞： 電子裝聯；焊接缺陷；表面貼裝技術

1.前言

電子封裝技術涉及電子產品結構設計、制造加工、實驗測試、可靠性試驗、環境試驗、回流焊接等多種工藝技術。而目前，很多電子器件通過焊料組裝在PCB板上，電子工業中制造及封裝技術中，通常采用波峰焊、回流焊等焊接技術，波峰焊通常采用熔融焊料循環流動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。回流焊對應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。 在實際的微電子焊接工藝中，期望得到的各個環節均為零缺陷，但實際操作或測試時，在貼裝工序、焊接工序測試工序等過程均會出現一些缺陷，而存在焊接工藝缺陷的影響因素也很多。基于此，需要分析焊接缺陷的原因，找出解決的措施，進行流程優化和持續改進，才能生產出更多的優良產品，降低生產成本，提高工藝水平[1]。

2.常見焊接缺陷及原因分析

在回流焊接工藝流程中，經常出現的缺陷有冷焊、偏移、立牌、錫珠等問題。這些焊接缺陷一旦沒及時品鑒，對于電子元器件可靠性會造成極大影響。冷焊缺陷主要原因在于焊膏加熱熔化不充分，就開始進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表面比較粗糙，焊點機械強度不能滿足應用要求。分析其原因在于回流焊接過程中，回流焊接爐內溫度分布不均勻，或者是由于待焊接元器件及焊接材料在回溫爐內時間短，與元器件焊接接觸時，焊接材料未能完全處于熔融狀態。

立碑現象也叫“曼哈頓現象”，多出現在表面組裝的片式元件回流焊焊接過程，電子元器件兩端由于表面張力不均衡，兩個焊端可能出現一端良好，另一端在拉力作用下，存在旋轉造成呈斜立、豎立、脫離焊盤表面的現象。元件越小立牌現象出現幾率越高。造成元器件一端脫離焊盤表面的原因還包括焊盤尺寸、焊膏厚度、預熱器、貼裝偏移等。焊盤尺寸設計時，應有足夠的精度要求，具備嚴密的對稱特性，才能有效化解焊點的受力不均衡問題，但是實際工藝生產過程，焊盤尺寸存在偏差，焊錫濕潤過程中元器件存在滑動，導致焊盤旋轉造成立牌。而貼裝偏移嚴重同樣也會形成立碑[2]。

偏移也稱作焊橋，電子裝聯過程，因為焊膏過量、印刷錯位、塌邊等造成元器件焊接在焊盤上存在錯位的現象。錯位多存在與片狀元件間距PCB。基于此，焊接時應采用激光等光學定位，定位基準點應沿PCB板對角線上展開。

印刷塌邊、貼裝塌邊、加熱塌邊統稱為焊膏塌邊。印刷塌邊的影響因素較多，主要與印刷參數、模板、焊膏特性等關聯。假設焊膏粘度低，可塑性就差，或者模板粗糙度不均勻，在印刷過程容易發生塌邊；貼裝過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，回爐溫升過快，焊膏中易揮發溶劑揮發加快，容易把焊料顆粒擠出焊區，從而導致塌邊現象。

錫珠現象也稱焊錫球，多是因為急速加熱時，焊料受熱過速導致產生珠狀物，或者是因為預熱區溫度過低，突然進入回流區也會產生焊錫球。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板清潔度等有關聯。實驗研究表明，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，焊錫球缺陷發生概率就會增加。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容易形成錫珠現象缺缺陷。

3.處理措施

3.1氮氣環境下回流焊接

試驗研究表明，氮氣作為惰性氣體，氮氣環境下回流焊接，可以很好解決焊料氧化，增強元器件和PCB焊接面焊膏潤濕性，降低焊接回流溫度等問題。在氮氣下，焊接金屬材料表面張力減小，焊膏擴展性增強，浸潤性得到很好改善[3]。另外，采用氮氣保護焊接能夠增加聚合力，加速焊點成形，提升焊點質量。

在空氣下回流焊焊接層內部氣孔較多，氮氣環境下焊接層內部氣孔較少，充分說明了氮氣環境下焊料延展性和潤濕性得到很大改善。界面間氣孔的存在將會使焊接表面出現裂紋源，從而影響焊接強度，造成電路板安全隱患。

3.2 加強焊接工藝流程優化

不斷優化焊接工藝流程，對涂錫膏、貼片、回流焊、檢查、測試等工序進行質量控制，在電子封裝焊接工藝中，流程每一步驟操作都會對焊接的結果造成影響。在焊接過程中，焊盤設計、焊料質量、使用方法、焊料材質、焊料熔點、溫度曲線、焊接爐內溫度均勻性等等，都影響著焊接質量。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備

為了減少焊接缺陷，應加大對新型焊接設備的研發投入，本文設計一種旋轉式接觸傳熱回流焊接爐。該設備具有獨立加熱、冷卻系統，加熱、冷卻工藝獨立分開，互不干擾，升溫、降溫一次成型，大大縮減了焊接時間，降低了電力消耗。而且適用于流水線操作，不間斷連續焊接，可實現真空、氮氣環境下回流焊接，有效提高熱利用率和生產效率，大大提高了焊接質量。如圖1所示，新型焊接爐三維設計圖。

圖1 新型焊接爐三維立體圖

上圖新型回流焊接爐的特點在于具有獨立的加熱區與冷卻區，即獨立的熱箱、冷箱，有效的儲備了熱、冷能，每次焊接過程，避免升、降溫等重復操作及溫度無法控制的問題。焊接爐結構設計能夠減小焊接時間，綠色環保、節能，消除溫度冷熱沖擊對設備的壽命損害。該回流焊接爐依靠液氮冷卻，溫度均勻性調節區域大，可實現快速冷卻功能及大批量工裝焊接。液氮冷卻區在電熱元件加熱以及液氮蒸發制冷作用下，形成回流焊接曲線全流程焊接工藝。焊接過程在氮氣保護環境中，有效杜絕了焊接過程中空洞和氣泡出現。液氮冷卻采用外加風扇調節箱體內氣流，或者電機驅動工作轉盤旋轉，從而提高爐內溫度均勻性，提升了焊接質量。另外，焊接爐控制實現電腦控制，控制溫度、壓力、流量等參數實時監控，可視化操作。而且工作轉盤為分層結構，焊接區域容積增加，實現了多個電子元器件大批量一次性焊接，提高了工作效率。

4.結論

隨著微電子技術飛速發展，電子封裝及測試工藝是產品可靠性的關鍵性技術。由于操作流程等因素，在電子產品裝聯過程和商業化生產中，焊接缺陷不可避免，如何減少缺陷問題，提高產品優良率，是值得深入探討的問題。通過詳細分析電子產品裝聯過程中缺陷的現象和原因，針對問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

[1]田民波.電子封裝工程[M].北京，清華大學出版社，2003： 1-3

[2]安妮.對電子裝聯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，中國科學院上海微系統與信息技術研究所，2002： 1-118

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