電子器件熱可靠性及相關設備的研究

張祖紅

（江蘇省南京工程高等職業學校 江蘇省南京市 211135）

電子封裝技術屬于加工電子元器件為電子產品的重要環節，直接影響電子產品的使用壽命和可靠性，電子器件熱可靠性也會直接受到影響。為盡可能提升電子器件熱可靠性，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 影響電子器件熱可靠性的主要因素

1.1 技術概述

電子器件熱可靠性向來屬于業界研究熱點，散熱性能、封裝性能均有可能對其熱可靠性造成影響。隨著經濟與科技的快速發展，人們對高可靠和高質量產品的需求不斷提升，環境對電子器件帶來的影響也受到高度重視，而結合相關理論研究和實踐探索能夠了解到，環境因素在電子器件故障中所占比率較高。所謂電子封裝技術，指的是基于電路圖將各電子器件和元件在基板上連接，以此開展安裝與測試，即可完成電子產品生產。電子封裝技術涉及電子元器件的組裝、互連等技術，可實現印刷電路板和微小芯片的電氣互連，且能夠保證性能不會受到溫濕度變化影響，易測試、標準化、熱管理性能也屬于封裝要求。在電子封裝技術支持下，外部引腳與芯片接點的電氣互連能夠順利實現，散熱、密封、支撐、隔離、保護芯片作用也能夠充分發揮。隨著電子封裝技術的快速發展，小型化的電子產品發展趨勢日漸顯著，但受到越來越復雜、密集的封裝器件影響，電子封裝技術在應用中很容易出現封裝器件失效等問題，功率密度不斷提升的器件也使得散熱問題愈發嚴重。對于電子器件來說，散熱性能帶來的可靠性影響較為深遠，散熱不佳很容易導致封裝器件失效，因此可通過散熱性能判斷電子器件封裝質量[1]。

1.2 影響因素

絕緣柵雙極型晶體管具備低導通壓降、高輸入阻抗等優勢，在變頻器、逆變器、開關電源、電機調速等領域均有著廣泛應用。作為大功率半導體器件，絕緣柵雙極型晶體管的發熱較多，且需要存在125℃內的結溫最高溫度，因此過熱保護需優選散熱裝置。圍繞絕緣柵雙極型晶體管的封裝進行研究可以發現，基板結構、封裝材料、散熱、鍵合參數等均屬于研究熱點，散熱屬于限制絕緣柵雙極型晶體管應用的主要因素；發光二極管屬于轉化電能為光能的電子器件，主要由模塑料、透鏡、硅膠、熒光粉層、芯片、熱沉、引線框架等組成，依托電子封裝技術，即可完成發光二極管產品的組合。基于回流焊接工藝，發光二極管的基板上能夠焊接芯片。在路燈、車燈、室內照明、舞臺燈光等領域，發光二極管的應用極為廣泛，這源于其具備的壽命長、體積小、耗電量少、可控性強、堅固耐用等優勢。為保護芯片并保證可見光輸出及電信號輸入的順利實現，發光二極管封裝向來受到重視，單個發光二極管需結合功率和大小優選封裝方式，普通封裝流程如圖1所示，為提高封裝性能，新材料和新工藝的科學應用必須得到重視，具體實踐需要綜合考慮結構、電、熱、光等因素帶來的影響[2]。

2 保障電子器件熱可靠性的設備研究

圖1：接觸式回流焊接爐的構成示意圖

圖2：冷卻板繞管方法

2.1 回流焊接影響因素

回流焊接屬于電子封裝技術應用中的重要工序，電子器件熱可靠性直接受到回流焊接質量影響。由于回流焊接設備性能直接影響電子器件回流焊接質量，應關注國產回流焊接設備存在的精度和性能方面欠缺，以此開發新型設備，即可為電子器件熱可靠性保障提供支持。所謂回流焊接，指的是熔融、回流焊盤上涂覆的焊料，冷卻后可實現PCB焊盤與電子器件焊端的電氣互連。焊料的冷卻速率屬于重要的回流焊接參數，可能出現的焊接缺陷能夠通過該參數描述，焊接后的結構和組織可受到冷卻速率增大帶來的積極影響，實現合金焊接后的機械性能提升。焊接過程中冷卻速率的增加能夠實現焊接可靠性提升和缺陷產生幾率降低，但這需要以不傷害受焊元器件為前提，但如果存在過快的冷卻速率。應力集中下的電子元器件會導致使用過程中電子產品焊點過早失效，可見焊料的冷卻速率直接影響電子器件熱可靠性；焊接缺陷會在回流焊接實踐中出現，如冷焊、錫珠、偏移、“立碑”等，電子器件熱可靠性很容易受到這類缺陷影響。以冷焊為例，該缺陷指的是冷卻操作在焊膏加熱未完全熔化時進行，焊點受此影響會出現表面粗糙問題，機械強度不高的焊點會因此形成。

回流焊接試驗向來受到業界重視，如氮氣下的回流焊接，結合相關試驗可以了解到，回流焊接在空氣下進行時會得到內部氣孔較多的焊接層，氮氣下這類內部氣孔數量明顯較少，由于氣孔部位很容易成為裂紋起始部位，因此氮氣下的回流焊接更具優勢。基于拉伸測試儀開展的焊接層強度測量可以發現，氮氣、空氣下焊接層的拉伸結合力分別為22.69N、15.56N，這能夠更直觀說明氮氣下回流焊接具備的質量優勢。焊料性質、界面氧化、界面氣孔等因素也會影響回流焊接質量，并進而影響電子器件熱可靠性。基于焊料性質進行分析可以發現，延展性較好的濕焊膏回流存在更少的孔洞形成。基于界面氧化進行分析可以發現，材料氧化或非氧化對回流焊接質量造成影響不大，材料性質和焊接表面平整度帶來的影響較為深遠。基于界面氣孔進行分析可以發現，空洞無法完全消除，因此焊接過程需要盡可能做好空洞預防。完成回流焊接后，可通過空洞分析和拉伸測試評估焊接效果，前者需應用掃描超聲顯微鏡，后者需要得到拉伸測試儀的支持。對于絕緣柵雙極型晶體管和發光二極管的焊接來說，焊接設備發揮著關鍵性作用，這類電子元器件生產需要得到回流焊接爐的支持，融錫的過程屬于回流焊接爐的主要作用。結合實際調研可以發現，現階段進口回流焊接爐價格較高，多數價格在一百萬元以上，很多國產回流焊接爐雖然價格較低，但存在技術方面的不足，這種不足必須設法解決。

2.2 接觸式回流焊接爐設計

2.2.1 總體結構

回流焊接爐的研發向來受到業界重視，而結合實際調研可以發現，這類研發更多關注對溫度場和氣流場的模擬，回流焊接爐運行參數基于傳熱系數的研究也受到廣泛關注，結合國內外相關研究，本文將介紹一種新型回流焊接爐，即接觸式回流焊接爐。為實現冷卻和加熱，接觸式回流焊接爐以接觸熱傳導為核心，能夠開展全過程回流焊接，在流水線式的回流焊接作業操作方面具備顯著優勢，可較好保障電子器件熱可靠性。

在一個密閉腔體內，接觸式回流焊接爐存在兩個區的設計，冷卻區、加熱區，加熱板設置于加熱區，恒定高溫可基于加熱板保持。冷卻板設置于冷卻區，冷卻水一致低溫能夠由冷卻板提供。通過在托盤占裝置需要焊接的電子器件，托盤可在電機驅動下先后進入加熱區、冷卻區。在回流焊接過程中，加熱區負責溫度上升，在托盤與加熱板位置開展面接觸時，熱量能夠快速傳遞，通過對托盤與加熱板間距離的調節，升溫速率可實現科學控制。冷卻區負責溫度下降，托盤可依托運輸系運輸至冷卻板，在托盤與冷卻板位置開展面接觸時，產品在托盤上的溫度會快速下降。通過對托盤與冷卻板間距離的調節，升溫速率能夠有效控制。接觸式回流焊接爐能夠通過程序自動控制冷卻板和加熱板移動、托盤傳送，工作可在24h下不間斷進行，流水線操作可順利實現。接觸式回流焊接爐能夠自動完成回流焊接的一系列功能，包括將托盤運送至加熱區、托盤面自動接觸加熱板開展加熱、保證溫度恒定、向熔點以上加熱、抽真空、向冷卻區運送托盤、托盤面自動接觸冷卻板、冷卻電子器件至室溫。接觸式回流焊接爐在的溫度調節下，托盤與加熱板的距離、加熱板的功率屬于主要變量，在接觸式傳熱支持下，裝載產品托盤與加熱板可實現面接觸，均勻受熱的托盤上產品可保證焊料溫度晚于基板溫度到達熔點，空洞產生條件因此消除，外圍組件溫度因輻射加熱快速上升問題可有效規避，圖1為接觸式回流焊接爐的構成示意圖。

結合圖1進行分析可以發現，設計采用兩片冷卻板和加熱板，特殊傳動機構負責其運動，溫度調節通過冷卻板和加熱板功率及距離完成。采用不銹鋼板作為冷卻板的材料，基于內部中空設計，冷卻可通過通液氮或水的方式完成。冷卻區和加熱區及對外部空氣隔離通過閘門完成，在運動機構支持下，冷卻板和加熱板能夠通過操控上下運動，完成溫度的調節與控制。被焊物件放置于托盤上，可實現水平移動，流水線式回流焊接作業可順利開展。

2.2.2 具體構成

冷卻板屬于接觸式回流焊接爐的主要部件之一，其能夠通過機械壓縮機制冷、水冷、空氣冷卻、液氮冷卻進行冷卻，液氮制冷屬于最好的辦法。為實現冷卻板溫度均勻性的保障，設計采用圖2所示的冷卻板繞管方法。

結合圖2進行分析可以發現，該設計將集流器設置于繞管的兩端，在交錯分布的順流和逆流管路支持下，液氮制冷管路能夠從兩端進液氮，更加均勻的溫度分布順利實現。從冷卻板上經過繞管后，液氮能夠從液氮噴口（管子末端）噴出，制冷部位溫度均勻保障、液氮冷量最大程度利用均可順利實現。經過冷卻板后，液氮能夠實現冷卻板溫度降低，末端管孔中噴出的氮氣會使周圍出現降低的氣體溫度。通過將溫度傳感器設置于冷卻板上，電控閥門會在冷卻溫度達到設定溫度時關閉，溫度的精確控制能夠順利實現，而通過移動冷卻板的位置、改變液氮流量，被冷卻物件溫度即可順利控制。

加熱板可采用感應加、石英管紅外加熱、電阻加熱，其中集成加熱板設計最為簡單，這種設計類似于鑄銅加熱器，均熱板和電極可由此省略。通過在云母片上纏繞電加熱絲，并將電加熱絲通過兩片云母片包裹，即可完成三明治”式的加熱板結構設計，該結構還需要將白鐵皮包裹在最外層，簡易電加熱板因此制作完成。由于電加熱絲通過云母片隔開，且不會導電的白鐵皮上不存在電流通過，因此其能夠較好發揮均熱和導熱作用，但這種加熱板設計無法實現溫度精確控制。為實現對接觸式回流焊接爐加熱溫度的準確控制，電加熱材料應選擇鉬加熱片、鎢加熱片、石墨加熱片，同時開展分區加熱，溫度控制即可更好實現。

在托盤機構設計中，托盤的具體位置基于齒輪的轉動精確控制，冷卻區和加熱區可通過閘門分割，密封有效性能夠得到保障。通過將多個齒輪安裝于兩側壁面，托盤可由齒輪轉動運動，微電腦精確控制的齒輪運動可實現托盤具體位置的確定。采用耐高溫材料制成托盤，保證其不易氧化且能夠承受低溫沖擊，電腦控制閘門的運動，托盤的運動不會受到閘門影響。結合相關實踐可以了解到，接觸式回流焊接爐在流水線操作、批量焊接、快速冷卻等方面有著出色表現，依托該設備的回流焊接能夠大幅提升電子器件熱可靠性，電子封裝技術的優勢也能夠充分發揮。

3 結論

綜上所述，電子器件熱可靠性會受到多方面因素影響。在此基礎上，本文涉及的電子封裝技術、接觸式回流焊接爐等內容，則提供了可行性較高的電子器件熱可靠性保障路徑。為更好保證電子器件熱可靠性，回流焊接在惰性氣體氣氛下的性能研究、回流焊接曲線優化同樣需要得到重視。