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影响现代电子装联工艺可靠性的因素

导读: 电子产品由各种电子元器件组装而成,在组装过程中最大量的工作就是焊接。焊接的可靠性直接威胁整机或系统的可靠性,换言之,焊接的可靠性已成为影响现代电子产品可靠性的关键因素。

一、现代电子装联工艺可靠性的内涵

电子产品由各种电子元器件组装而成,在组装过程中最大量的工作就是焊接。焊接的可靠性直接威胁整机或系统的可靠性,换言之,焊接的可靠性已成为影响现代电子产品可靠性的关键因素。显然,解决现代电子产品工艺可靠性问题,首先就要解决焊接中的不良问题,而解决焊接中的不良现象,最突出的就是要关注BGA、CSP等一系列新型密脚封装芯片的焊接问题。

研究和解决电子产品后工序的焊接可靠性及加固等问题对整个电子产品系统可靠性影响的权重也正在快速地增加中。综上所述,可以把电子产品在后工序制造中所发生的将要影响系统可靠性的各种质量现象,统一划归为电子装联工艺可靠性的研究范畴。

二、现代电子装联焊接过程中的缺陷

为了更好地理解焊接可靠性对改善现代电子装备系统可靠性的影响及重要程度,首先,应了解现代电子装备的焊接工艺方法,分析和归纳在组装过程中所有可能会产生的影响可靠性的因素。

1.焊接过程中所发生的物理现象现代电子装联焊接工艺方法,主流是波峰焊接工艺和再流焊接工艺,以及利用蒸汽的气相焊法(VPS),传统的手工烙铁焊接工艺仅作为一种补充和个别缺陷焊点返修用。下面以再流焊接工艺为例,简要地介绍一下焊接过程中所发生的主要物理现象,如图1所示。

图1

在焊盘上印刷焊膏并贴装好元器件,然后进入再流焊接炉中并在再流炉中的温度作用下,焊膏中助焊剂的活性物质被激活发生化学反应去除基体金属表面的氧化物,熔融焊料润湿基体金属表面并在界面上发生冶金反应,形成所需要的金属间化合物层,达到电气连接的目的。

2.与焊点缺陷相关联的影响因素焊接条件的好坏,将涉及对焊接接续部分可靠性的影响,直接威胁电子产品早期故障率及寿命期的长短。例如,采用有铅焊料Sn37Pb时其再流焊接温度的典型炉温曲线如图2所示;而采用无铅SnAgCu时其再流焊接的典型的炉温曲线如图3所示。选用不当就必然影响焊点的可靠性。

图2

图3

不同的焊接条件和炉温曲线对焊点的形成质量影响如下。

●升温速度,影响温度的均匀性;

●预热温度和时间,影响助焊剂的活性和基板上温度的均匀性;

●峰值温度和保持时间,影响钎料的润湿性和界面合金层的生成质量;

●冷却速度,影响熔融钎料的固化和焊点的微组织结构,决定钎料初期的结晶组织质量。除此以外,再流炉内的气氛、加热手段及气流的方向和强度等,也将对焊接的状态构成很大的影响。若能对这些条件进行恰当组合,就能确保获得高可靠性的焊接连接,相反就会使得焊接连接的可靠性变得低劣。对在被连接的界面附近发生的组织和结构的不良表现,将会对焊点可靠性造成影响,如图4所示。

图4

为了更好地理解焊接时在界面形成的金属间化合物层,过厚的金属间化合物,对高可靠性安装来说实际上是一种妨碍。因为金属间化合物与构成基板和电子元器件等的材料有不同的热膨胀率和杨氏模量等物理特性,如表1所示,既硬又脆。为此,只要从焊接温度下一冷却,就会因热膨胀失配而产生变形,严重时还会产生龟裂。然而同样从焊点可靠性出发,该层又不能没有,若没有肯定该焊点不是虚焊就是冷焊。问题是在工艺上如何控制其厚度在所要求的范围。表1

对界面金属间化合物形成的确认,是判断焊接是否良好的依据。假如在界面上见不到金属间化合物,则表示界面已被污染或氧化了导致焊料不能润湿。图5示出了采用SnZn焊料在无助焊剂的典型的焊接界面上,由于SnZn合金容易氧化,若没有合适的助焊剂配合的话,即使是在真空中焊接,氧化膜的影响也是很强的,被焊接的电极也是不能润湿的。在照片中,形成了界面化合物的区域就是润湿了的区域,而见不到化合物的区域是由于氧化变成了不能形成界面金属间化合物的地方。

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