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焊点的质量与可靠性摘要：主要介绍了Sn-Pb合金焊接点发生失效的各种表现形式，探讨发生的各种原因及如保在工艺上进行改进以改善焊点的可靠性，提高产品的质量。关键词：焊点；失效；质量；可靠性中图分类号：TN406文献标识码：B文章编号：1001-3474（2000）02-0070-04QualityandReliabilityofSolderJointLiMin(ElectronicsSecondResearchInstituteofMinistryIndustry,Yaiyuan030024,China)Abstract:Allkindsoffailuresinsolderjointareintroduced,whosecausesarestudied.Howtoimprovejoint’squalityandreliabilityisalsostudied.Keywords:Solderjoint;Failure;Quality;ReliabilityDocumentCode:BArtocleID:1001-3474(2000)02-0070-04电子产品的“轻、薄、短、小”化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求。在这样的要求下，如何保证焊点质量是一个重要的问题。焊点作为焊接的直接结果，它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。也就是说，在生产过程中，组装的质量最终表现为焊接的质量。目前，在电子行业中，虽然无铅焊料的研究取得很大进展，在世界范围内已开始推广应用，而且环保问题也受到人们的广泛关注，但是由于诸多的原因，采用Sn-Pb焊料合金的软钎焊技术现在仍然是电子电路的主要连接技术。文中将就Sn-Pb焊料合金的焊点质量和可靠性问题进行较全面的介绍。1焊点的外观评价良好的焊点应该是在设备的使用寿命周期内，其机械和电气性能都不发生失效。其外观表现为：（1）（1）良好的润湿（2）（2）适当的焊料量和焊料完全覆盖焊盘和引线的焊接部位（或焊端），元件高度适中；（3）（3）完整而平滑光亮的表面。原则上，这些准则适合于SMT中的一切焊接方法焊出的各类焊点。此外焊接点的边缘应当较薄，若焊接表面足够大，焊料与焊盘表面的润湿角以300以下为好，最大不超过600.2寿命周期内焊点的失效形式考虑到失效与时间的关系，失效形式分为三个不同的时期，如图1所示。（1）（1）早期失效阶段，主要是质量不好的焊点大量发生失效，也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。（2）（2）稳定失效率阶段，该阶段大部分焊点的质量良好，失效的发生率（失效率）很低，且比较稳定。（3）（3）寿命终结伦阶段，失效主要由累积的破环性因素造成的，包括化学的、冶金的、热一机械特性等因素，比如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应，或热一机械应力造成焊点失效。失效主要由材料的特性、焊点的具体结构和所受载荷决定。33焊接工艺引起的焊点失效机理焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。3.13.1热应力与热冲击波峰焊过程中快速的冷热变化，对元件造成暂时的温度差，这使元件承受热一机械应力。当温差过大时，导致元件的陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹。应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。焊料固化后，PCB还必须由1800C降低到室温。由于PCB和元件之间的热膨胀系数不同，有时也会导致陶瓷元件的破裂。PCB的玻璃化转变温度一般在1800C和室温之间（FR-4大约是1250C）。焊接后，焊接面被强制冷却，这样PCB的两面就会在同一时刻处于不同的温度。结果当焊接面到达玻璃化转变温度或以下时，另一面还在玻璃化转变温度以上，于是出现PCB翘曲的现象。PCB翘曲严重时会损坏上面的元件。3.23.2金属的溶解在厚、薄膜混合电路（包括片式电容）组装中，常常有蚀金、蚀银的现象。这是因为焊料中的锡与镀金或镀银引脚中的金、银会形成化合物，导致焊点的可靠性降低。许多情况下，在焊料从焊接温度冷却到固态温度的期间，有溶解的金属析出，在焊接基体内形成了脆性的金属化合物。铜生成针状的Cu6Sn5,银生成扁平的Ag3Sn,金生成AuSn4立方体。这些化合物有一个共同的特点是，就是非常脆，剪切强度极低，元件极易脱落。如果金、银含量少，生成的化合物的量不会很多，这些化合物对焊点的机械性能还不会造成太大的损害。但是含量较多时，焊料会变得易碎。以金为例，当反应的时间及温度足够时，所有的金都将与锡发生反应。所以焊点中金的含量不应超过3％-4％。3.33.3基板和元件的过热各种材料如塑料一般在焊接温度下是不稳定的，经常出现基板剥离和褪色的现象。纸基酚醛树脂板常发生剥离，适于红外再流焊，而FR-4（环氧玻璃基板）在红外再流焊中经常变色。“爆米花”这一词是专门针对大芯片IC的。IC塑料封装极易吸潮，当加热时间过长时，潮气就会释放出来。再流焊时，潮气气化，在芯片底部的封装薄弱界面处积累成一个气泡，封装受到气泡的压力，就会发生开裂。这一现象与芯片的尺寸、芯片下面的塑料厚度、塑料封装与芯片之间的粘合质量有关，尤其是与潮湿量有关。而在波峰焊中，几乎不会发生爆裂。目前的解决办法是：先烘干IC，然后密封保存并保持干燥。或者在使用前几个小时进行1000C以上的预先烘烤。3.43.4超声清洗的损害超声清洗对于清除PCB上残留的助焊剂很有效。缺点是受超声功率大小的控制，超声功率太低则不起作用，而超声功率太高则会破坏PCB及上面元件。超声波清洗有可能造成两种破坏后果：（1）（1）小液滴对表面的碰撞就像喷砂，类似于表面风化。（2）（2）在清洗槽内，陶瓷基板受到超声负载激励而呈现共谐状态。基板上，表面贴装元件的引脚则以共谐波频率受到周期性的作用，最终导致在引脚的弯曲处发生疲劳断裂。44装卸和移动造成的焊点失效电子产品从元器件装配、电路组装和焊接直到成品的运输和使用的整个寿命周期内，可能会承受由于机械负载引起的各种振动和冲击。例如，引起片状电容器产生裂纹的一个常见的原因是印制板弯曲。从很紧的夹具中把印刷板拆卸下时就会出现这种现象。4.1制造过程中的机械负载由于印制板弯曲可能会给焊点和元件施加过量的应力，这包括三个方面：（1）（1）大通孔元件的焊点所受应力很容易超过屈服极限。如果PCB上有比较重的元件如变压器，则应该选择夹具支撑。（2）（2）无引线陶瓷元件也很容易发生断裂。当片式元件从多层板上分离时，元件发生断裂的危险性相当高，所以最好不要将片式电阻电容放在容变曲的地方。（3）（3）在IC器件也会发生焊点断裂。鸥翼形引线在析的平面方向是柔性的，但在与板垂直的方向是刚性的。如果带有大的细间距IC的PCB有一个角发生翘曲，而没有支撑，或者由于不正确地调整测试夹具而形成机械负载，会对焊点造成危胁。4.2运输过程中的振动焊点的形状是圆而光滑的，没有应力集中的尖角。所以，振负载通常不会损坏焊点，而会破坏引线。特别是重的元件和只有少量的（2或3根）长的排成一列的柔性引线的元件（例如大的电解电容）会遭受振动。这会导致受到机械负载最多的印制板上的元件引线发生疲劳断裂。4.3机械冲击因为焊点具有良好的体积和形状，所以受机械冲击时，焊点一般是不会损坏的。但是焊接结构的其它部分会发生失效。如大而重的有引线元件受机械冲击后产生的大惯性力会引起PCB板上覆铜的剥离或板断裂，进而，元件本身也会损坏。为了解决这一问题，要求大而重的元件有足够的机械支撑固定，而且要求引线应柔性的。混装电路板的表面组装电路部分由于其焊点比通孔插装焊点小得多，且引线不穿过电路板，焊点处机械强度较小，更容易受到冲击损坏的危险。为了增加焊接结构的机械强度，应从焊接材料的配方入手，使焊膏在焊接时不易形成焊球。助焊剂残余物易于清除。涂敷焊膏用量应适当，在满足机械强度和电气性能的前提下，焊点要小，另外要选择适当的焊接方法，建立最佳的温度曲线，从而提高焊接结构的整体可靠性。55老化根据实际的应用，电子电路会承受各种各样的负载。一般有以几种：（1）（1）空气环境如潮湿、污染的气体和蒸汽；（2）（2）烟雾（汽车尾气）；（3）（3）温度：热、冷及温度周期性变化；（4）（4）机械负载：振动和冲击、恒力（重力等）、长期的弯曲（安装不正确）。会造成以下后果：（1）（1）化学和电化学腐蚀；（2）（2）板析的退化；（3）（3）焊料中的锡与焊接金属之间合金层的生长；（4）（4）由于弹性塑性变形产生蠕变断裂；（5）（5）热一机械焊接疲劳。5.1腐蚀空气污染所致的干性化学腐蚀危险性小。但如遇到含硫的气体时，气体中的硫会与焊点上的银发生反应，形成Ag2S,从而降低焊点上的可焊性。在潮湿和有偏置电压的情况下，腐蚀和金属迁移将很容易发生（由于电解作用，金属析出蔓延形成树枝状晶体）。所有的焊接金属都可能发生迁移，银是最敏感的金属。5.2基板材料老化基板材料在温度升高时发生老化，而且温度越高老化越快。印制板制造商规定的失效标准是：弹性强度减半。这意味着当弹性强度减小一半时，材料已经老化到失效了。使用温度的最高允许值取决于产品的“运行”时间。对电路来讲，连续运行的时间是105h。所以印制板的使用温度应控制在80-1000C，这由板的材料和要求的“运行”时间来决定。5.3合金层合金化合物不仅仅是象前面讨论的在焊接过程中由溶解的金属沉积而成。焊料中的锡也和焊接金属表现出固化反应（焊料中的铅不能阻止这种反应），甚至在室温下，都可能发生这样的反应。例如。，一年后Cu–Sn层的厚度会增加0.5um.通常合金化合物是硬而脆的。相比较而言有些是硬的，如Cu–Sn,其它则较软，如AuSn4,Ni–Sn合金层则是中等硬度。有关合金层的可靠性方面有三点要注意：（1）（1）软合金层将导致焊点破裂，特别容易发生在含金的焊料中。（2）（2）整个薄层合金的变化将导致粘附力的降低或电接触的老化。（3）（3）在焊接金属与合金层之间的界面处会出现焊接金属的伴生物，如铜一锡合金层之间出现的SnO2。5.45.4蠕变断裂材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使应力小于屈服强度也会慢慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。这种变形引起的断裂称为蠕变断裂。不同的材料出现蠕变的温度不同。一般来说，当温度超过材料熔点的0.3倍以上时，才出现较明显的蠕变。而锡铅焊料在室温下乙有蠕变现象。（1）（1）为了防止重的元件造成的蠕变破裂，建议有引线元件的焊点施加的应力不超过0.1N/焊点。（2）（2）焊点在焊接后多少会释放一些应力，如果焊点位于PCB的某一弯曲的位置，就会受到持久的挤压。大尺寸IC的焊点，带有相对较硬的引线，这样的焊点在这种情况下会断裂。因为蠕变是一种缓慢的变形，也许产品在用户使用中会突然断裂。（3）（3）如果焊料同发生塑性形变的引线固化在一起，就会发生蠕变断裂，这取决于引线的硬度和塑性形变量。5.55.5焊接疲劳元件、焊料以及基板材料有着不同的热膨胀系数。同时，周期性的温度改变，散热的变化以及环境温度的改变都会引起每次温度改机械应力。这部分应力由蠕变释放出来，从而引起每次温度改变时的塑性形变。这种累积的破坏性影响将最终导致焊点的疲劳断裂。66结论综上所述，影响焊点质量的因素有很多，我们探讨了制造过程中的机械负载、热冲击、装卸和移动造成的破坏、老化等方面的原因，那么在操作时，应该采取以下措施来保证焊点的质量：（1）（1）温度循环负载要尽可能小；（2）（2）元器件要尽可能小；（3）（3）热膨胀系数要匹配；（4）（4）采用柔性引线；（5）（5）尽量不要装配那些大而重的元件，通过柔性引线进行电气连接；（6）（6）通孔与引线的配合应紧密，但不要太紧；（7）（7）印制板的装配应保证在板的水平方向能自由移动，否则周期性的弯曲会破坏大元件的焊点；（8）（8）焊点尺寸和形状要适当；（9）（9）在单面板上安装通孔元件，焊点要饱满；（10）（10）焊料合金要达到最大的疲劳寿命。可以通过优化两个特性：疲劳屈服点和蠕变阻抗，使焊料合金的疲劳寿命达到最大值。通过以上分析，SMT焊点的质量与可靠性由以下因素决定：（1）（1）良好的焊接工艺质量；（2）（2）尽量不要