焊点的质量与可靠性

1、焊点的质量与可靠性摘 要：主要要介绍了Snn-Pb合金金焊接点发生生失效的各种种表现形式，探探讨发生的各各种原因及如如保在工艺上上进行改进以以改善焊点的的可靠性，提提高产品的质质量。关键词：焊点；失效；质量量；可靠性中图分类号：TTN406 文献标标识码：B 文文章编号：11001-33474（2000）02-00070-044Qualityy and Reliaabilitty of Soldder JoointLi Min(Electrronicss Secoond Reesearcch Insstitutte of Minisstry IIndusttry , Yaiyuuan03000

2、24, Chinaa)Abstracct: Alll kinnds off faillures in soolder jointt are introoducedd, whoose caauses are sstudieed. Hoow to improove joointss quallity aand reeliabiility is allso sttudiedd.Key worrds : Soldeer joiint; FFailurre; Quualityy; RelliabillityDocumennt Codde: B AArtoclle ID:1001-3474(2000)02

3、-00070-044电子产品的“轻轻、薄、短、小小”化对元器件件的微型化和和组装密度提提出了更高的的要求。在这这样的要求下下，如何保证证焊点质量是是一个重要的的问题。焊点点作为焊接的的直接结果，它它的质量与可可靠性决定了了电子产品的的质量。也就就是说，在生生产过程中，组组装的质量最最终表现为焊焊接的质量。目前，在电子行行业中，虽然然无铅焊料的的研究取得很很大进展，在在世界范围内内已开始推广广应用，而且且环保问题也也受到人们的的广泛关注，但但是由于诸多多的原因，采采用Sn-PPb焊料合金金的软钎焊技技术现在仍然然是电子电路路的主要连接接技术。文中中将就Sn-Pb焊料合合金的焊点质质量和可靠性性问

4、题进行较较全面的介绍绍。1 焊点的外观观评价良好的焊点应该该是在设备的的使用寿命周周期内，其机机械和电气性性能都不发生生失效。其外外观表现为：（1） 良良好的润湿（2） 适适当的焊料量量和焊料完全全覆盖焊盘和和引线的焊接接部位（或焊焊端），元件件高度适中；（3） 完完整而平滑光光亮的表面。原则上，这些准准则适合于SSMT中的一一切焊接方法法焊出的各类类焊点。此外外焊接点的边边缘应当较薄薄，若焊接表表面足够大，焊焊料与焊盘表表面的润湿角角以300以下为为好，最大不不超过6000.2寿命周期内焊焊点的失效形形式 考虑到失效与时时间的关系，失失效形式分为为三个不同的的时期，如图1所示。（1） 早期期

5、失效阶段，主主要是质量不不好的焊点大大量发生失效效，也有部分分焊点是由于于不当的工艺艺操作与装卸卸造成的损坏坏。可以通过过工艺过程进进行优化来减减少早期失效效率。（2） 稳定定失效率阶段段，该阶段大大部分焊点的的质量良好，失失效的发生率率（失效率）很很低，且比较较稳定。（3） 寿命命终结伦阶段段，失效主要要由累积的破破环性因素造造成的，包括括化学的、冶冶金的、热一一机械特性等等因素，比如如焊料与被焊焊金属之间发发生金属化合合反应，或热热一机械应力力造成焊点失失效。失效主主要由材料的的特性、焊点点的具体结构构和所受载荷荷决定。3 焊焊接工艺引起起的焊点失效效机理焊接工艺中的一一些不利因素素及随后

6、进行行的不适当的的清洗工艺可可能会导致焊焊点失效。3.1 热应力力与热冲击波峰焊过程中快快速的冷热变变化，对元件件造成暂时的的温度差，这这使元件承受受热一机械应应力。当温差差过大时，导导致元件的陶陶瓷与玻璃部部分产生应力力裂纹。应力力裂纹是影响响焊点长期可可靠性的不利利因素。焊料固化后，PPCB还必须须由18000C降低到室室温。由于PPCB和元件件之间的热膨膨胀系数不同同，有时也会会导致陶瓷元元件的破裂。PCB的玻璃化化转变温度一一般在1800C和室室温之间（FFR-4大约约是12500C）。焊接接后，焊接面面被强制冷却却，这样PCCB的两面就就会在同一时时刻处于不同同的温度。结结果当焊接面

7、面到达玻璃化化转变温度或或以下时，另另一面还在玻玻璃化转变温温度以上，于于是出现PCCB翘曲的现现象。PCBB翘曲严重时时会损坏上面面的元件。3.2 金属的的溶解在厚、薄膜混合合电路（包括括片式电容）组组装中，常常常有蚀金、蚀蚀银的现象。这这是因为焊料料中的锡与镀镀金或镀银引引脚中的金、银银会形成化合合物，导致焊焊点的可靠性性降低。许多情况下，在在焊料从焊接接温度冷却到到固态温度的的期间，有溶溶解的金属析析出，在焊接接基体内形成成了脆性的金金属化合物。铜铜生成针状的的Cu6Snn5,银生成成扁平的Agg3Sn,金金生成AuSSn4立方体体。这些化合合物有一个共共同的特点是是，就是非常常脆，剪切

8、强强度极低，元元件极易脱落落。如果金、银银含量少，生生成的化合物物的量不会很很多，这些化化合物对焊点点的机械性能能还不会造成成太大的损害害。但是含量量较多时，焊焊料会变得易易碎。以金为为例，当反应应的时间及温温度足够时，所所有的金都将将与锡发生反反应。所以焊焊点中金的含含量不应超过过3- 4。3.3 基板和和元件的过热热各种材料如塑料料一般在焊接接温度下是不不稳定的，经经常出现基板板剥离和褪色色的现象。纸纸基酚醛树脂脂板常发生剥剥离，适于红红外再流焊，而而FR-4（环环氧玻璃基板板）在红外再再流焊中经常常变色。“爆米花”这一一词是专门针针对大芯片IIC的。IC塑料封装装极易吸潮，当当加热时间过

9、过长时，潮气气就会释放出出来。再流焊焊时，潮气气气化，在芯片片底部的封装装薄弱界面处处积累成一个个气泡，封装装受到气泡的的压力，就会会发生开裂。这这一现象与芯芯片的尺寸、芯芯片下面的塑塑料厚度、塑塑料封装与芯芯片之间的粘粘合质量有关关，尤其是与与潮湿量有关关。而在波峰峰焊中，几乎乎不会发生爆爆裂。目前的的解决办法是是：先烘干IIC，然后密密封保存并保保持干燥。或或者在使用前前几个小时进进行10000C以上的预预先烘烤。3.4 超声清清洗的损害超声清洗对于清清除PCB上残留留的助焊剂很很有效。缺点点是受超声功功率大小的控控制，超声功功率太低则不不起作用，而而超声功率太太高则会破坏坏PCB及上面面

10、元件。超 声波清洗有有可能造成两两种破坏后果果：（1） 小液液滴对表面的的碰撞就像喷喷砂，类似于于表面风化。（2） 在清清洗槽内，陶陶瓷基板受到到超声负载激激励而呈现共共谐状态。基基板上，表面面贴装元件的的引脚则以共共谐波频率受受到周期性的的作用，最终终导致在引脚脚的弯曲处发发生疲劳断裂裂。4装卸和移动造造成的焊点失失效电子产品从元器器件装配、电电路组装和焊焊接直到成品品的运输和使使用的整个寿寿命周期内，可可能会承受由由于机械负载载引起的各种种振动和冲击击。例如，引引起片状电容容器产生裂纹纹的一个常见见的原因是印印制板弯曲。从从很紧的夹具具中把印刷板板拆卸下时就就会出现这种种现象。4.1 制造

11、过过程中的机械械负载由于印制板弯曲曲可能会给焊焊点和元件施施加过量的应应力，这包括括三个方面：（1） 大通通孔元件的焊焊点所受应力力很容易超过过屈服极限。如如果PCB上有比比较重的元件件如变压器，则则应该选择夹夹具支撑。（2） 无引引线陶瓷元件件也很容易发发生断裂。当当片式元件从从多层板上分分离时，元件件发生断裂的的危险性相当当高，所以最最好不要将片片式电阻电容容放在容变曲曲的地方。（3） 在IC器件也会会发生焊点断断裂。鸥翼形形引线在析的的平面方向是是柔性的，但但在与板垂直直的方向是刚刚性的。如果果带有大的细细间距IC的PCB 有一一个角发生翘翘曲，而没有有支撑，或者者由于不正确确地调整测试

12、试夹具而形成成机械负载，会会对焊点造成成危胁。4.2 运输过过程中的振动动焊点的形状是圆圆而光滑的，没没有应力集中中的尖角。所所以，振负载载通常不会损损坏焊点，而而会破坏引线线。特别是重的元件件和只有少量量的（2或3根）长的排排成一列的柔柔性引线的元元件（例如大大的电解电容容）会遭受振振动。这会导导致受到机械械负载最多的的印制板上的的元件引线发发生疲劳断裂裂。4.3机械冲击击因为焊点具有良良好的体积和和形状，所以以受机械冲击击时，焊点一一般是不会损损坏的。但是是焊接结构的的其它部分会会发生失效。如如大而重的有有引线元件受受机械冲击后后产生的大惯惯性力会引起起PCB板上覆覆铜的剥离或或板断裂，进

13、进而，元件本本身也会损坏坏。为了解决决这一问题，要要求大而重的的元件有足够够的机械支撑撑固定，而且且要求引线应应柔性的。混装电路板的表表面组装电路路部分由于其其焊点比通孔孔插装焊点小小得多，且引引线不穿过电电路板，焊点点处机械强度度较小，更容容易受到冲击击损坏的危险险。为了增加加焊接结构的的机械强度，应应从焊接材料料的配方入手手，使焊膏在在焊接时不易易形成焊球。助助焊剂残余物物易于清除。涂涂敷焊膏用量量应适当，在在满足机械强强度和电气性性能的前提下下，焊点要小小，另外要选选择适当的焊焊接方法，建建立最佳的温温度曲线，从从而提高焊接接结构的整体体可靠性。5老化根据实际的应用用，电子电路路会承受各

14、种种各样的负载载。一般有以以几种：（1） 空气气环境如潮湿湿、污染的气气体和蒸汽；（2） 烟雾雾（汽车尾气气）；（3） 温度度：热、冷及及温度周期性性变化；（4） 机械械负载：振动动和冲击、恒恒力（重力等等）、长期的的弯曲（安装装不正确）。会造成以下后果果：（1） 化学学和电化学腐腐蚀；（2） 板析析的退化；（3） 焊料料中的锡与焊焊接金属之间间合金层的生生长；（4） 由于于弹性塑性变变形产生蠕变变断裂；（5） 热一一机械焊接疲疲劳。5.1 腐蚀空气污染所致的的干性化学腐腐蚀危险性小小。但如遇到到含硫的气体体时，气体中中的硫会与焊焊点上的银发发生反应，形形成Ag2SS,从而降低低焊点上的可可焊

15、性。在潮潮湿和有偏置置电压的情况况下，腐蚀和和金属迁移将将很容易发生生（由于电解解作用，金属属析出蔓延形形成树枝状晶晶体）。所有有的焊接金属属都可能发生生迁移，银是是最敏感的金金属。5.2 基板材材料老化基板材料在温度度升高时发生生老化，而且且温度越高老老化越快。印印制板制造商商规定的失效效标准是：弹弹性强度减半半。这意味着着当弹性强度度减小一半时时，材料已经经老化到失效效了。使用温度的最高高允许值取决决于产品的“运行”时间。对电电路来讲，连连续运行的时时间是1055h。所以印印制板的使用用温度应控制制在80-10000C，这由由板的材料和和要求的“运行”时间来决定定。5.3 合金层层合金化合

16、物不仅仅仅是象前面面讨论的在焊焊接过程中由由溶解的金属属沉积而成。焊焊料中的锡也也和焊接金属属表现出固化化反应（焊料料中的铅不能能阻止这种反反应），甚至至在室温下，都都可能发生这这样的反应。例例如。，一年年后Cu Sn层的的厚度会增加加0.5umm.通常合金化合物物是硬而脆的的。相比较而而言有些是硬硬的，如Cuu Snn,其它则较较软，如AuuSn4, Ni Sn合金层层则是中等硬硬度。有关合金层的可可靠性方面有有三点要注意意：（1） 软合合金层将导致致焊点破裂，特特别容易发生生在含金的焊焊料中。（2） 整个个薄层合金的的变化将导致致粘附力的降降低或电接触触的老化。（3） 在焊焊接金属与合合金

17、层之间的的界面处会出出现焊接金属属的伴生物，如如铜一锡合金金层之间出现现的SnO22。5.4 蠕变断断裂材料在长时间的的恒温、恒应应力作用下，即即使应力小于于屈服强度也也会慢慢地产产生塑性变形形的现象称为为蠕变。这种种变形引起的的断裂称为蠕蠕变断裂。不不同的材料出出现蠕变的温温度不同。一一般来说，当当温度超过材材料熔点的00.3倍以上上时，才出现现较明显的蠕蠕变。而锡铅铅焊料在室温温下乙有蠕变变现象。（1） 为了了防止重的元元件造成的蠕蠕变破裂，建建议有引线元元件的焊点施施加的应力不不超过0.11N/焊点。（2） 焊点点在焊接后多多少会释放一一些应力，如如果焊点位于于PCB的某一一弯曲的位置置

18、，就会受到到持久的挤压压。大尺寸IIC的焊点，带带有相对较硬硬的引线，这这样的焊点在在这种情况下下会断裂。 因为蠕变是是一种缓慢的的变形，也许许产品在用户户使用中会突突然断裂。（3） 如果果焊料同发生生塑性形变的的引线固化在在一起，就会会发生蠕变断断裂，这取决决于引线的硬硬度和塑性形形变量。5.5 焊接疲疲劳元件、焊料以及及基板材料有有着不同的热热膨胀系数。同同时，周期性性的温度改变变，散热的变变化以及环境境温度的改变变都会引起每每次温度改机机械应力。这这部分应力由由蠕变释放出出来，从而引引起每次温度度改变时的塑塑性形变。这这种累积的破破坏性影响将将最终导致焊焊点的疲劳断断裂。6 结论综上所述，影响响焊点质量的的因素有很多多，我们探讨讨了制造过程程中的机械负负载、热冲击击、装卸和移移动造成的破破坏、老化等等方面的原因因，那么在操操作时，应该该采取以下措措施来保证焊焊点的质量：（1） 温度度循环负载要要尽可能小；（2） 元器器件要尽可能能小；（3） 热膨膨胀系数要匹匹配；（4） 采用用柔性引线；（5） 尽量量不要装配那那些大而重的的元件，通过过柔性引线进进行电气连接接；（6） 通孔孔与引线的配配合应紧密，但但不要太紧；（7） 印制制板的装配应应保证在板的的水平方向能能自由移动，否否则周期性的的弯曲会破坏坏大元件的