電子產(chǎn)品在焊接過程中的可靠性問題研究

黃彩鈴

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院 甘肅天水 741025)

焊接是電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的關鍵環(huán)節(jié)，受電子產(chǎn)品日趨復雜、貼片元器件精細化發(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，而當前開展電子產(chǎn)品焊接工作還容易出現(xiàn)鉛污染、局部焊點冷焊、焊點空洞等問題，不僅無法保證電子產(chǎn)品實際使用性能，還不利于電子制造業(yè)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，需要加強電子產(chǎn)品焊接可靠性研究與分析，并采用有效技術措施對電子產(chǎn)品焊接過程進行科學規(guī)范與把控，在減少質(zhì)量缺陷出現(xiàn)的同時，提高電子產(chǎn)品焊接工藝技術水平[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

長時間以來SnPb 共晶焊料都是電子產(chǎn)品組裝過程中最合適的焊料，并且這種焊料具有使用便利、價格低、焊接穩(wěn)定等優(yōu)勢特點。但是鉛的使用會引發(fā)環(huán)境污染問題，使用無鉛焊料開展電子產(chǎn)品組裝工作也越來越流行。無鉛焊料要完全替代有鉛焊料，除了要具備優(yōu)良電學力學性能以外，還要兼容目前已有的焊接工藝，這些焊料有SnCu、SnAgCu等，盡管這些無鉛焊料在電子產(chǎn)品組裝中進行運用可以取得較好的效果，但是無鉛焊料使用也存在一些可靠性問題，具體表現(xiàn)如下。

1.1.1 鉛污染

無鉛焊料在電子制造業(yè)領域進行廣泛普及，并不是一朝一夕能夠完成的，并且焊接工藝從有鉛向無鉛方向發(fā)展，也會有一個過渡期，也正是因為有鉛焊料的存在，使無鉛工藝應用會產(chǎn)生一定的鉛污染，鉛元素的加入會使無鉛焊料的熔點降低，進而對電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量帶來不利的影響[2]。

1.1.2 錫須生長

錫晶須是焊點在錫層表面自發(fā)長出的Sn單晶體，會對錫晶須生長產(chǎn)生影響的內(nèi)外因素主要有鍍層、基底材料、溫度、電流等，通常錫晶須的生長速度較為緩慢，然而當它跨兩互連焊點的距離與鄰近焊點連接起來以后，就容易引發(fā)橋接短路問題，進而對器件造成嚴重的影響，若焊接工作開展對傳統(tǒng)有鉛焊料進行運用，就可以通過鉛元素對錫須生長進行抑制，不過無鉛焊料使用以錫晶須問題又開始暴露出來，這也會降低電子產(chǎn)品焊接的可靠性。

1.1.3 電遷移

在電壓作用下，金屬中的原子會跟隨電流進行移動，從微觀上看就像是發(fā)生擴散現(xiàn)象，金屬原子朝著陽極附近不斷地靠近，在陰極附近則會出現(xiàn)孔洞、裂紋等現(xiàn)象，進而引發(fā)電路短路、熔斷等問題，對電遷移進行深入的探究，發(fā)現(xiàn)其是一個復雜的工作過程，涉及的電流密度、焊點成分、溫度梯度等諸多因素都可能會對其產(chǎn)生影響，而使用的無鉛焊料Ag、Sn 也容易隨著電流進行遷移運動，容易造成無鉛焊點存在潛在的電遷移性，電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量也無法得到保證[3]。

1.2 焊接工藝

在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，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)過電動泵噴流成設計要求的焊料波峰，預先裝有元器件的抑制板通過焊料波峰也能與印制板焊盤之間的機械與電氣進行有連接；另一種是回流焊，實際作業(yè)主要是通過重新熔化預先分配到印制板焊盤上的焊膏，使表面組裝元器件引腳與印制板焊盤之間的機械和電氣進行有效連接。伴隨著科學技術不斷發(fā)展，元器件集成度也越來越高，并朝著小型化方向發(fā)展，這時開展電子產(chǎn)品焊接工作，對回流焊工藝應用也愈發(fā)關注，焊接過程溫度變化也會對電子產(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。

1.2.1 預熱升溫

通常預熱區(qū)的溫度介于130～180 ℃，這一溫度時間要控制在60～120 s，在運用無鉛焊料工藝進行焊接作業(yè)時，預熱和升溫過程段需要緩慢地進行，以保證遇到元器件較多的多層板、大尺寸板等時可以均勻的受熱，若整個過程升溫過就會擴大不同元器件與印制板的溫差，最終焊接可靠性也無法得到保障。

1.2.2 快速升溫

這一區(qū)域又被稱為助焊劑浸潤區(qū)，溫度需要由180oC上升至217oC，由于電子產(chǎn)品焊接過程所使用無鉛焊料對溫度要求較高，因此實際升溫出現(xiàn)較為緩慢的情況，助焊劑就會提前結束活化反應，甚至會使元器件引腳、焊盤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明顯降低[4]。

1.2.3 回流區(qū)

要保證形成良好的焊點，還要對回流區(qū)溶解、擴散和冶金連接過程引起關注，在上述中已經(jīng)提到無鉛焊料需要較高的溫度，實際作業(yè)除了要保證充分焊接以外，還要防止溫度過高對元器件造成破壞。為此，要對回流區(qū)的峰值溫度進行合理設置，不過操作中沒有根據(jù)實際對最高峰值溫度進行有效控制，最終焊點可靠性也不能得到保證。

1.3 檢測技術

采用可靠性檢測技術對電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量進行檢查，是保證電子產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要環(huán)節(jié)。目前對于宏觀的焊接缺陷，主要是采用人工目測檢查，實際作業(yè)存在的主要問題是主觀性太大，并且只能對焊點的形狀、尺寸、表面特征等進行檢測，雖然可以通過自動光學檢測技術對電子產(chǎn)品焊接過程存在的問題進行自動發(fā)現(xiàn)，但是這一技術應用也只能針對外在焊點缺陷，無法對微米級水平的缺陷進行檢測分析、準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)品焊接過程較常出現(xiàn)的質(zhì)量問題

電子產(chǎn)品焊接過程中常見的質(zhì)量問題具體有以下方面。

2.1 局部焊點冷焊

對于熱容量不同的焊點，在不能及時接收足夠熱量以后，形成的金屬件化合物厚度也存在較大的差異，并容易產(chǎn)生焊點間結合強度不足問題，無法滿足電子產(chǎn)品焊接可靠性要求。

2.2 橋連

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

2.3 焊料浸潤不良

當焊錫合金沒有受到表面張力和氧化層的影響以后，其就不會具備較好的擴散能力，進行焊接作業(yè)焊點可靠性也就無法得到保障[5]。

2.4 焊點空洞

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

2.5 元件破裂

在回流焊工藝應用下，電子產(chǎn)品焊接出現(xiàn)原件破裂情況，主要是因為焊接過程板材與元件之間的熱不匹配導致，當焊接溫度出現(xiàn)過高和冷卻速率不達標情況時，就容易引發(fā)元件應力集中情況。

3 提高電子產(chǎn)品焊接過程可靠性的策略探究

3.1 科學選擇焊料

由于焊料的選擇會影響電子產(chǎn)品焊接的可靠性，因此要對焊料選擇引起高度重視。現(xiàn)階段，電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造已經(jīng)廣泛使用無鉛焊料，并且要求無鉛焊料有優(yōu)良電學力學、兼容目前已有焊接工藝、較好的濕潤性等性能。為防止實際使用中出現(xiàn)鉛污染、電遷移等情況，降低電子產(chǎn)品焊接的可靠性，技術人員應掌握常用無鉛焊料類型及相關性能，如表1 所示。在結合實際對焊料進行科學合理選擇以后，要防止焊接質(zhì)量問題出現(xiàn)，還要對焊劑引起高度重視，具體包括助焊劑和阻焊劑兩項內(nèi)容。前者一般可分為無機助焊劑和有機助焊劑，實際應用可以溶解去除金屬表面存在的氧化物，并且在焊接加熱過程中也能對金屬表面進行有效包圍，使之與空氣隔絕，金屬在加熱時氧化降低熔融焊錫表面張力問題也能防止發(fā)生，在促進焊錫濕潤中增強焊接可靠性。后者則是通過阻焊劑促使焊料只在焊點上進行焊接，對于不需要焊接的印制電路板，就可以將之有效覆蓋起來，保護面板在焊接時受到的熱沖擊更小，發(fā)生氣泡、橋接、短路等問題的概率也會明顯降低。另外，在對焊劑進行使用時，還要注意把握焊件面積大小和表面狀態(tài)情況，通過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)品焊接常用無鉛焊料類型及相關性能

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，因此開展電子產(chǎn)品焊接作業(yè)，使用回流焊工藝越來越多，具體焊接過程中也極容易受到溫度變化影響，降低焊接的可靠性。要妥善解決這一問題，除了要加強回流焊過程溫度控制以外，還要堅持與時俱進對焊接工藝進行優(yōu)化創(chuàng)新，極大保障電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

在回流焊工藝應用方面，要透過回流焊的溫度曲線圖，了解到焊接過程溫度變化對工藝應用可靠性的影響，然后從升溫預熱、快速升溫、回流冷卻3 個環(huán)節(jié)入手，對焊接過程溫度進行嚴格控制，在升溫預測環(huán)節(jié)可以將溫度設置在130～180oC 左右，并保證預熱和升溫過程段都是緩慢進行的，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，就要對助焊劑進行有效使用，使助焊劑在充分活化以后，對焊接界面氧化層薄膜進行有效去除，執(zhí)行時加強升溫斜率控制就能提高升溫速度，促進助焊劑在高溫狀態(tài)下充分發(fā)揮活化反應，避免對焊接界面可靠性產(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)，并對回流區(qū)峰值溫度、峰值時間和回流時間進行合理設置，以保證焊接作業(yè)可以形成良好的焊點，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。前者是通過激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，并通過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。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，被廣泛應用在航空航天、電氣電工等眾多行業(yè)中。在對這些新焊接工藝進行選擇使用時，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 加強質(zhì)量檢測

選擇合適檢測技術對電子產(chǎn)品焊接可靠性進行檢查分析，可以及時發(fā)現(xiàn)焊接過程存在的質(zhì)量缺陷，并為后續(xù)修正提供有力的信息支持。實踐中可以結合不同情況對人工目測、自動光學檢測等技術進行應用，在人工目測檢測技術應用方面，人們通常會通過肉眼觀察、輔助顯微鏡等方式，對尺寸較大元器件的宏觀焊點進行檢查，可以觀測到的焊點缺陷情況有橋接、焊膏未熔化等，不過隨著電子產(chǎn)品元器件朝著集約化和微型化方向發(fā)展，這種焊點質(zhì)量檢測方式運用效果也會持續(xù)降低，需要探尋新的檢測技術及時發(fā)現(xiàn)和解決焊接存在缺陷。在自動光學檢測技術應用方面，就很好地適應了元器件尺寸不斷減少、PCB 板上貼片密度增加等要求，執(zhí)行時可以采用專用檢查儀器通過光電對焊點進行照射，然后用光學鏡頭對反射光進行采集運算，經(jīng)過計算機圖像處理系統(tǒng)分析處理以后，也能得到元器件焊接情況科學判斷的結果，針對發(fā)現(xiàn)的焊膏故障、器件貼裝故障、元器件焊接故障等問題，也能直觀、形象地展現(xiàn)出來，以為后續(xù)焊接作業(yè)持續(xù)優(yōu)化改進提供有力的支撐[8]。另外，還可以采用超聲波檢測法自動化、X 射線檢測法自動化等，實現(xiàn)對電子產(chǎn)品焊接質(zhì)量的有效檢測。其中，通過超聲波檢測法自動化對焊接質(zhì)量進行檢驗，就可以通過超聲波的反射信號對元件進行細致探測，特別是對于IC 芯片封裝內(nèi)部出現(xiàn)的空洞、分層等缺陷情況，均能通過該項檢測技術及時發(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)中進行控制與解決。通過X射線檢測法自動化對焊接質(zhì)量進行檢驗，基本上可以檢查電子產(chǎn)品全部的工藝缺陷，執(zhí)行時可以利用X射線的透視特點，對焊點形狀進行檢查，甚至還可以與電腦庫中的標準形狀進行對比，以科學判斷焊點的質(zhì)量。

4 結語

本文是對電子產(chǎn)品在焊接過程中可靠性問題的分析，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。不過在實際作業(yè)中，電子產(chǎn)品焊接還常常會受到焊材使用、焊接工藝、質(zhì)量檢測等因素影響，導致焊接空洞、分層、橋連等問題發(fā)生，要提高電子產(chǎn)品焊接過程的可靠性，就要優(yōu)先考慮無鉛焊料使用，并加強回流焊工藝過程溫度控制，對于新出現(xiàn)的激光焊接、電子束焊接等工藝也要積極采用，同時深化落實好焊接質(zhì)量檢測工作，以切實保障電子產(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。