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焊点形成过程与影响因素

日期: 2022-05-14 点击: 245

无论是设计验证、工艺试验过程、使用过程还是可靠性试验阶段,都可能会有一定的组件失效,只有搞清楚这些组件的失效机理和原因,才能及时采取针对性的改进措施,使得产品的固有可靠性和使用可靠性得到逐步提升。


导致组件失效的原因大致可以分成两大类:一是组件上的元器件失效;二是组件的互连焊点包括PCB内部的互连失效。元器件的失效通常可以通过筛选和设计的改进得到一定的控制,另外由于组装工艺过程导致的元器件失效(热损伤除外)并不是主流,使得焊点或者互连的失效成为组装工艺后组件的最主要的失效模式,而且元器件的门类繁多和失效分析涉及面太宽,因此此次将主要讨论板级互连以及焊点的失效分析技术,元器件的失效分析技术则请参考有关的专著。


而互连与焊点的失效分析技术是获取失效机理与原因的基本技术手段,也只有充分熟悉并运用这些技术,才能及时获得产品改进的依据。因此,对于电子组装工程师或是从事组件质量保证技术的工程师而言,掌握互连与焊点的失效分析技术则成为工艺成功实施非常重要的一环。


焊点形成过程与影响因素


要做好失效分析,必须首先搞清楚互连焊点的形成过程与机理,同时还必须将焊点的失效模式或者故障模式与影响因素联系起来。由于本书前面的章节已经对焊点形成的过程与机理也就是焊接机理进行了介绍,这里就不再重复。


简单说来,焊点的生成包括焊料的润湿过程、焊料与被焊面之间的选择性扩散以及金属间化合物生成的合金化过程。其中最为关键的就是焊料对母材(被焊面)的润湿过程,也就是焊料原子在热以及助焊剂的帮助下达到与母材原子相互作用的距离的过程,为接下来的一步焊料中的原子与母材中的原子相互扩散做好准备。润湿的好坏决定了焊点的根本质量,润湿是否能够形成成为焊接最关键的第一步,如果没有润湿的发生就不会有后续的金属间的扩散过程,更不会有合金化。而润湿能否发生以及润湿的程度如何,其影响因素很多,比如PCB的焊盘可焊性、元器件引线脚的可焊性、焊料本身的组成、助焊剂的活性、焊料熔融的温度等。焊盘与引线脚的可焊性好,焊料就容易润湿;焊料中的合金比例与杂质含量决定了焊料的表面张力与熔点,表面张力小且熔点低的话,润湿就容易发生;助焊剂的活性高,它对润湿的促进就大;焊料的熔融温度高表面张力就小,也就有利于焊料的铺展与浸润,以上各项反之亦然。至于扩散过程则仅仅受到温度与焊接时间的影响,温度高扩散就快,金属化后形成的金属间化合物就比较厚,时间长也可以得到同样的结果,但是金属间化合物的结构可能有所不同。同样,第三步合金化也与时间和温度有关,不同的时间与温度使界面形成的金属间化合物的种类都不同,如果界面生成过多的Cu3Sn将使焊点强度降低,Cu6Sn5太厚将使焊点脆性增加,研究表明金属间化合物的厚度均匀且在1 ~ 3μm最为理想。


此外,焊接过后的冷却速度的影响也非常重要,冷却速度快金属间化合物可能较薄且可能得到结晶细腻的光亮的焊点表面,但是可能导致过度的应力集中;而冷却速度过慢则可能得到灰暗且热撕裂的焊点表面。因此合适的工艺条件是保证焊点可靠性至关重要的一环。


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