吕晓胜

摘 要： 随着电子产品逐步向小型化、轻量化、多功能化、网络化、智能化发展，电子装联技术已经成为电子产品稳定性及可靠性关键技术之一。如何提高电子产品的封装工艺和测试工艺，减少产品的设计及制造缺陷，尤其是焊接缺陷，已经成为微电子研究领域主要课题。系统介绍了电子装联过程焊接缺陷的成因，种类及关键影响因素；提出了一些解决的措施和方法。

关键词： 电子装联；焊接缺陷；表面贴装技术

1.前言

电子封装技术涉及电子产品结构设计、制造加工、实验测试、可靠性试验、环境试验、回流焊接等多种工艺技术。而目前，很多电子器件通过焊料组装在PCB板上，电子工业中制造及封装技术中，通常采用波峰焊、回流焊等焊接技术，波峰焊通常采用熔融焊料循环流动的波峰面与在通孔中已插有电子元器件的PCB板接触，使熔融焊料源源不断的提供给待安装的元器件机电路印刷版之间的焊接面上的一种微电子焊接工艺，波峰焊焊接的器件为通孔插装器件。回流焊对应的电子器件则为表面贴装器件，波峰焊则多用于插装式电子元件及混合组装表面贴装元器件焊接工艺中。 在实际的微电子焊接工艺中，期望得到的各个环节均为零缺陷，但实际操作或测试时，在贴装工序、焊接工序测试工序等过程均会出现一些缺陷，而存在焊接工艺缺陷的影响因素也很多。基于此，需要分析焊接缺陷的原因，找出解决的措施，进行流程优化和持续改进，才能生产出更多的优良产品，降低生产成本，提高工艺水平[1]。

2.常见焊接缺陷及原因分析

在回流焊接工艺流程中，经常出现的缺陷有冷焊、偏移、立牌、锡珠等问题。这些焊接缺陷一旦没及时品鉴，对于电子元器件可靠性会造成极大影响。冷焊缺陷主要原因在于焊膏加热熔化不充分，就开始进行冷却操作而造成的回流焊缺陷。冷焊焊接缺陷的元器件板上焊点表面比较粗糙，焊点机械强度不能满足应用要求。分析其原因在于回流焊接过程中，回流焊接炉内温度分布不均匀，或者是由于待焊接元器件及焊接材料在回温炉内时间短，与元器件焊接接触时，焊接材料未能完全处于熔融状态。

立碑现象也叫“曼哈顿现象”，多出现在表面组装的片式元件回流焊焊接过程，电子元器件两端由于表面张力不均衡，两个焊端可能出现一端良好，另一端在拉力作用下，存在旋转造成呈斜立、竖立、脱离焊盘表面的现象。元件越小立牌现象出现几率越高。造成元器件一端脱离焊盘表面的原因还包括焊盘尺寸、焊膏厚度、预热器、贴装偏移等。焊盘尺寸设计时，应有足够的精度要求，具备严密的对称特性，才能有效化解焊点的受力不均衡问题，但是实际工艺生产过程，焊盘尺寸存在偏差，焊锡湿润过程中元器件存在滑动，导致焊盘旋转造成立牌。而贴装偏移严重同样也会形成立碑[2]。

偏移也称作焊桥，电子装联过程，因为焊膏过量、印刷错位、塌边等造成元器件焊接在焊盘上存在错位的现象。错位多存在与片状元件间距PCB。基于此，焊接时应采用激光等光学定位，定位基准点应沿PCB板对角线上展开。

印刷塌边、贴装塌边、加热塌边统称为焊膏塌边。印刷塌边的影响因素较多，主要与印刷参数、模板、焊膏特性等关联。假设焊膏粘度低，可塑性就差，或者模板粗糙度不均匀，在印刷过程容易发生塌边；贴装过程中如果贴装压力偏大，造成焊膏成形不好；而在焊接加热时，回炉温升过快，焊膏中易挥发溶剂挥发加快，容易把焊料颗粒挤出焊区，从而导致塌边现象。

锡珠现象也称焊锡球，多是因为急速加热时，焊料受热过速导致产生珠状物，或者是因为预热区温度过低，突然进入回流区也会产生焊锡球。这种缺陷与助焊剂活性、焊膏氧化程度、焊膏吸湿、焊料颗粒度、PCB板清洁度等有关联。实验研究表明，焊料颗粒不均匀（2颗粒含量较大），焊料颗粒表面与空气接触后易氧化，焊锡球缺陷发生概率就会增加。而且，焊膏干燥不充分，助焊剂活性较低，印制板清洗不干净等等都会容易形成锡珠现象缺缺陷。

3.处理措施

3.1氮气环境下回流焊接

试验研究表明，氮气作为惰性气体，氮气环境下回流焊接，可以很好解决焊料氧化，增强元器件和PCB焊接面焊膏润湿性，降低焊接回流溫度等问题。在氮气下，焊接金属材料表面张力减小，焊膏扩展性增强，浸润性得到很好改善[3]。另外，采用氮气保护焊接能够增加聚合力，加速焊点成形，提升焊点质量。

在空气下回流焊焊接层内部气孔较多，氮气环境下焊接层内部气孔较少，充分说明了氮气环境下焊料延展性和润湿性得到很大改善。界面间气孔的存在将会使焊接表面出现裂纹源，从而影响焊接强度，造成电路板安全隐患。

3.2 加强焊接工艺流程优化

不断优化焊接工艺流程，对涂锡膏、贴片、回流焊、检查、测试等工序进行质量控制，在电子封装焊接工艺中，流程每一步骤操作都会对焊接的结果造成影响。在焊接过程中，焊盘设计、焊料质量、使用方法、焊料材质、焊料熔点、温度曲线、焊接炉内温度均匀性等等，都影响着焊接质量。尤其是回流焊接工艺中的温度曲线，影响程度极大。良好的回流焊温度曲线可以很好提升焊接质量，并减少焊接缺陷，提高电路板及元器件的可靠性[4]。

3.3采用新型回流焊接炉等设备

为了减少焊接缺陷，应加大对新型焊接设备的研发投入，本文设计一种旋转式接触传热回流焊接炉。该设备具有独立加热、冷却系统，加热、冷却工艺独立分开，互不干扰，升温、降温一次成型，大大缩减了焊接时间，降低了电力消耗。而且适用于流水线操作，不间断连续焊接，可实现真空、氮气环境下回流焊接，有效提高热利用率和生产效率，大大提高了焊接质量。如图1所示，新型焊接炉三维设计图。

图1 新型焊接炉三维立体图

上图新型回流焊接炉的特点在于具有独立的加热区与冷却区，即独立的热箱、冷箱，有效的储备了热、冷能，每次焊接过程，避免升、降温等重复操作及温度无法控制的问题。焊接炉结构设计能够减小焊接时间，绿色环保、节能，消除温度冷热冲击对设备的寿命损害。该回流焊接炉依靠液氮冷却，温度均匀性调节区域大，可实现快速冷却功能及大批量工装焊接。液氮冷却区在电热元件加热以及液氮蒸发制冷作用下，形成回流焊接曲线全流程焊接工艺。焊接过程在氮气保护环境中，有效杜绝了焊接过程中空洞和气泡出现。液氮冷却采用外加风扇调节箱体内气流，或者电机驱动工作转盘旋转，从而提高炉内温度均匀性，提升了焊接质量。另外，焊接炉控制实现电脑控制，控制温度、压力、流量等参数实时监控，可视化操作。而且工作转盘为分层结构，焊接区域容积增加，实现了多个电子元器件大批量一次性焊接，提高了工作效率。

4.结论

随着微电子技术飞速发展，电子封装及测试工艺是产品可靠性的关键性技术。由于操作流程等因素，在电子产品装联过程和商业化生产中，焊接缺陷不可避免，如何减少缺陷问题，提高产品优良率，是值得深入探讨的问题。通过详细分析电子产品装联过程中缺陷的现象和原因，针对问题提出解决的措施和途径，避免焊接缺陷，是一种好的探索。

参考文献

[1]田民波.电子封装工程[M].北京，清华大学出版社，2003： 1-3

[2]安妮.对电子装联的悍接缺陷与处理探索[J].电子世界，2016，116（9）：155-157.

[3]徐步陆，电子封装可靠性研究[D].上海，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，2002： 1-118

[4]陈明祥，刘文明，刘胜.MEMS局部加热封装技术与应用.半导体技术[J].2010（11）：1049-1053.