設計與研究20分析無鉛焊接高溫對元器件可靠性的影響
摘要 :鉛和鉛合金鍍覆蓋長期以來都是電子產品互聯的基礎材料，其具有焊接質量好，價格低的優點，因此得到了廣泛應用。近幾年，人們逐漸意識到鉛和鉛合金的毒性，其會對人的健康造成一定程度的威脅。基于此，人們開始推廣無鉛焊接技術，這也是焊接技術發展的主要趨勢，下面針對無鉛焊接高溫對元器件可靠性的影響進行分析，希望對文中內容對相關工作人員能夠有所幫助。
關鍵詞：無鉛焊接；元器件；可靠性
Effect Analysis of High Temperature of Lead-free Welding on Reliability of Components
Abstract: lead and its alloy coating has been basic materials of interconnection of electronic products for a long time, which has advantages of good quality and low price, and has been widely applied. In recent years, people have gradually realizes toxicity of lead and its alloy can threat human’s health to some certain degree. Based on this, lead-free welding technology has been promoted, which is main trend of welding technology development. Effect of lead-free welding high tempreture on components’ reliability is analyzed as follows, hoping to help related working staffs.
Key words: lead-free welding; components; reliability
0 引言
鉛對人的身體會造成巨大傷害，其主要會損害人的造血系統、神經系統、消消化系統等，同時鉛中毒會引起腎病、白血病等各種疾病。電子制造業在具體生過程中會大量的使用錫鉛焊合金焊條，這將會對人們的生活環境造成一定程度污染。在電子制造業中，全面實現無鉛生產，減少因為鉛使用而造成的環境破壞已經迫在眉睫。
1 無鉛焊接技術現狀
從目前的實際情況來看，無鉛焊料并沒有一個統一的標準，通常情況下，錫是焊接材料的主體內容，然后在此基礎上，向其中添加其它金屬，近幾年，隨著人們對無鉛焊接技術研究的不斷深入，無鉛焊料研究工作發展迅猛[1]。現階段，常見的無鉛焊料以Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Bi為基體，向其中適當加入適量的其它金屬元素，最終構成三元合金和多元合金。
2 無鉛焊接高溫引起的元器件失效
對于一些潮濕敏感器件（MSD），隨著工藝溫度的不斷上升，元器件將會吸收大量的潮氣，這些潮氣在高溫鄒勇下，將會發生氣化，此時氣化將會發生快速膨脹，最終將會形成較大壓力，此時將有可能會引起裂紋、分層等各種不良現象，進而將會降低MSD的質量，導致其性能受到影響。壓力與溫度增加呈指數關系，因此針對MSD的處理，要加以關注。IPC在標準J-STD -020與J-STD-033中分別對MSD的分級及處理作為相應的規范，在具體應用過程中可以作為參考依據[2]。除此之外，在具體應用過程中，還需要注意以下兩項內容:
（1）針對已經開封，但是用完的MSD，應當將會放回到干燥箱中，在干燥箱中存放的時間應超過空氣中的5倍，確保MSD的干燥性滿足使用要求后，才可以對其進行應用，避免影響產品質量。（2）峰值每提升5°C-10°C，相應MSL（潮濕敏感等級）將會下調1級-2級。
無鉛工藝對元器件可靠性的另一項影響是焊接度高溫對器件內部鏈接造成的影響。IC的內部連接方法有超生壓焊，金絲球焊，以及倒裝焊等多種不同方法，尤其是CSP、BGA和組合式復合元器件、模塊器件等新型元器件[3]。例如，倒裝CSP、BGA內部封存芯片凸點采用的焊膏為Sn-3.5Ag焊接，該焊接材料的熔點為221°C，如果針對這樣的焊接在具體焊接過程中，采用無鉛焊接，在具體焊接過程中，期間內部焊點將會與表面組裝焊點將會同一時間再融化、凝固一次，這一過程中會對器件的可靠性造成巨大的不良影響。因此，無鉛元器件內不連接采用的材料必須符合焊接工藝對于高溫的要求，應當采用焊接比二級組裝焊接需要焊接溫度更高熔點的焊接料，避免焊接期間內部連接點的重熔。但是，從實際情況來看，在對該方面的研究投入較少，并且因為溫度偏高，因此對材料耐熱性的要求更高，這也增加了難度，雖然有解決方法，但是高溫無鉛焊接料的種類有限，并且成本相對較高。
3 采用熱管理技術解決無鉛工藝高溫熱失效
在分析過程中，要了解每個元件最高溫度限制，這對于焊接質量來說意義重大。一些元件在具體焊接過程中，能夠滿足ROHS的具體要求，但是，從實際情況來看，難以滿足無鉛焊接對最高溫度要求。例如，若超過了元件制造商規定的最高溫度，將會對產品應用過程中的可靠性造成不良影響，因此，必須要避免該情況的發生[4]。一旦發現存在問題，要利用合理方法及資源，可靠而經濟的完成相應的裝配操作。元件熱管理是焊接熱敏感元件的一項可行方法，通過該方法的應用，可以完成對施工手工焊接和選擇性焊接的取代。
熱管理就是在SMT回流焊期間，對每個元件溫度曲線進行合理控制。通過對軟件熱管理的合理應用，熱敏元件的焊接可以利用標準回流焊接溫度實現。同時，電路板回流焊接曲線也不會由于熱敏元件的存在而折衷。并且，回流焊接曲線的確定是依據焊點質量的具體情況而定的，在問題分析過程中，考慮到全局性因素帶來的影響。例如，電路板存在的具體元件、元件密集程度、具體焊接要求的高度等[5]。針對無法承回流焊的個別元件，應當利用元件熱管理進行單獨處理。通常來說，元件熱管理設備都會配備獨特的冷卻方法，通過合理的手段，對熱敏元件能夠接觸到的總熱量進行限制，確保該熱量能夠保持在一個合理的范圍，避免對元器件造成破壞[6-7]。此外，也可以將元件熱管理應用在不同的元件電子組裝中，并且從實際應用情況來看也取得了不錯的成績，這樣使工程的工作變得更加靈活，使元器件的可靠性能夠得到進一步提升。
4 結論
鉛對人的身體會造成巨大危害，現在許多電子產品都對已經開始應用無鉛工藝，在應用無鉛工藝過程中，人們重點關注高無鉛焊料在具體焊接作業過程中的可靠性問題[8]。從具體情況來看，對無鉛工藝，尤其我國對無鉛高溫對元器件可靠性的影響關注度不夠，這對無鉛焊接工藝的發展來說造成一設計與研究22定的制約。文章對焊接過程中存在的裂縫、分層等不良現象進行了重點分析，通過元件熱管理方式，對無鉛焊接高溫中的熱失效與損傷問題加以解決。
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