在工控領(lǐng)域，設(shè)備常常需要在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，而 PCBA印刷電路板組件作為核心部件，其焊點(diǎn)的可靠性至關(guān)重要。多冗余設(shè)計(jì)的 PCBA 雖能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)能力，但在高溫環(huán)境下，焊點(diǎn)失效問題卻愈發(fā)凸顯。深圳PCBA加工廠-1943科技將探討高溫環(huán)境對(duì) PCBA 焊點(diǎn)的影響，分析焊點(diǎn)失效的原因，并結(jié)合PCBA加工和SMT貼片工藝，提出有效的解決措施。
一、高溫環(huán)境對(duì) PCBA 焊點(diǎn)的影響
（一）材料性能變化
高溫會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。例如，焊料合金（如錫鉛合金、無鉛合金）在高溫下會(huì)發(fā)生時(shí)效現(xiàn)象，晶粒粗化，從而降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，PCB 基板材料在高溫下可能會(huì)膨脹、變形，與焊點(diǎn)之間產(chǎn)生熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，進(jìn)一步加劇焊點(diǎn)的應(yīng)力。
（二）熱應(yīng)力累積
多冗余設(shè)計(jì)的 PCBA 通常包含更多的電子元件和焊點(diǎn)，布局更加密集。在高溫環(huán)境中，不同元件和焊點(diǎn)的發(fā)熱情況不同，導(dǎo)致局部溫度分布不均勻，產(chǎn)生熱梯度。這種熱梯度會(huì)使焊點(diǎn)承受反復(fù)的熱脹冷縮應(yīng)力，長期作用下容易引發(fā)焊點(diǎn)疲勞開裂。
（三）焊點(diǎn)界面反應(yīng)
高溫會(huì)加速焊點(diǎn)與基板、元件引腳之間的界面反應(yīng)，形成金屬間化合物（IMC）。隨著時(shí)間的推移，IMC 層會(huì)不斷增厚，其脆性較大，會(huì)降低焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。
二、焊點(diǎn)失效的主要原因分析
（一）PCBA加工工藝缺陷
在PCBA加工過程中，SMT貼片工藝的參數(shù)設(shè)置不當(dāng)是導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的重要原因之一。例如，回流焊溫度曲線不合理，升溫速率過快或過高，會(huì)導(dǎo)致焊料飛濺、焊點(diǎn)虛焊、橋接等問題；焊接時(shí)間過長或過短，會(huì)影響焊料的潤濕效果和 IMC 的形成。此外，焊膏的選擇和印刷質(zhì)量、元件貼裝精度等也會(huì)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量產(chǎn)生影響。
（二）多冗余設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)
多冗余設(shè)計(jì)增加了 PCBA 的復(fù)雜度，焊點(diǎn)數(shù)量增多，布局更加緊湊。這使得焊點(diǎn)之間的間距減小，散熱條件變差，容易形成局部高溫區(qū)域。同時(shí)，冗余元件的存在使得焊點(diǎn)承受的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力更加復(fù)雜，尤其是在振動(dòng)、沖擊等動(dòng)態(tài)環(huán)境下，焊點(diǎn)更容易發(fā)生失效。
（三）高溫環(huán)境下的長期可靠性問題
長期處于高溫環(huán)境中，焊點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷持續(xù)的熱老化過程。除了上述的材料性能變化和界面反應(yīng)外，高溫還會(huì)加速焊點(diǎn)內(nèi)部缺陷的擴(kuò)展，如氣孔、裂紋等。這些缺陷在常溫下可能不會(huì)影響焊點(diǎn)的性能，但在高溫下會(huì)迅速惡化，導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。
三、解決高溫環(huán)境下焊點(diǎn)失效問題的措施
（一）優(yōu)化PCBA加工工藝
- SMT貼片工藝優(yōu)化
- 合理選擇焊膏：根據(jù)高溫環(huán)境的要求，選擇耐高溫、潤濕性好、可靠性高的焊膏。例如，無鉛焊膏中的 Sn-Ag-Cu（SAC）合金具有較好的高溫性能。
- 優(yōu)化回流焊溫度曲線：根據(jù) PCB 基板材料、元件類型和焊膏特性，制定合適的回流焊溫度曲線。確保預(yù)熱階段溫度均勻上升，避免元件和基板受到過大的熱沖擊；保溫階段使焊膏充分熔融和潤濕；冷卻階段控制冷卻速率，減少焊點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力。
- 提高貼裝精度：確保元件貼裝位置準(zhǔn)確，避免因貼裝偏差導(dǎo)致焊點(diǎn)受力不均。同時(shí)，控制貼裝壓力，防止元件損壞和焊膏擠出。
- 加強(qiáng)焊點(diǎn)檢測(cè)
- 采用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）、X 射線檢測(cè)（X-Ray）等技術(shù)，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行全面檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)虛焊、短路、氣孔等缺陷。
- 進(jìn)行焊點(diǎn)可靠性測(cè)試，如高溫老化試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)等，評(píng)估焊點(diǎn)在高溫環(huán)境下的長期可靠性。
（二）改進(jìn)多冗余設(shè)計(jì)
- 合理布局焊點(diǎn)
- 在 PCB 設(shè)計(jì)階段，充分考慮多冗余設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，合理分布焊點(diǎn)位置，避免焊點(diǎn)過于密集。增加焊點(diǎn)之間的間距，改善散熱條件，減少熱應(yīng)力集中。
- 對(duì)于關(guān)鍵焊點(diǎn)，如冗余元件的連接焊點(diǎn)，采用加大焊盤、增加焊料量等措施，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度和可靠性。
- 熱管理設(shè)計(jì)
- 在PCBA上設(shè)置散熱元件，如散熱片、熱管等，將熱量及時(shí)散發(fā)出去，降低焊點(diǎn)周圍的溫度。
- 采用導(dǎo)熱性能好的 PCB 基板材料，如陶瓷基板、金屬基 PCB 等，提高PCBA的整體散熱能力。
- 優(yōu)化元件布局，將發(fā)熱元件和對(duì)溫度敏感的元件分開布置，避免發(fā)熱元件對(duì)焊點(diǎn)造成直接影響。
（三）選用耐高溫材料
- 焊料選擇
- 對(duì)于高溫環(huán)境下的 PCBA，可選用耐高溫的焊料，如高鉛焊料（如 Sn-95Pb）、金錫焊料等。這些焊料具有較高的熔點(diǎn)和良好的高溫性能，能夠承受長期的高溫環(huán)境。
- PCB 基板材料
- 選擇耐高溫的 PCB 基板材料，如聚酰亞胺（PI）基板、聚苯醚（PPE）基板等。這些材料具有較低的熱膨脹系數(shù)和較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），能夠減少高溫下的變形和應(yīng)力。
- 元件封裝材料
- 選用耐高溫的元件封裝材料，如陶瓷封裝、金屬封裝等，提高元件在高溫環(huán)境下的可靠性，減少對(duì)焊點(diǎn)的影響。
（四）采用先進(jìn)的焊點(diǎn)增強(qiáng)技術(shù)
- 焊點(diǎn)加固
- 對(duì)關(guān)鍵焊點(diǎn)進(jìn)行加固處理，如使用焊點(diǎn)保護(hù)膠、底部填充膠（Underfill）等。這些材料能夠增強(qiáng)焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度，減少熱應(yīng)力和振動(dòng)對(duì)焊點(diǎn)的影響。
- 對(duì)于多引腳元件，如 BGA、QFP 等，采用底部填充工藝，填充元件與 PCB 之間的間隙，提高焊點(diǎn)的抗疲勞性能。
- 表面處理技術(shù)
- 在 PCB 焊盤和元件引腳上采用合適的表面處理工藝，如浸金（ENIG）、浸銀（ImAg）等，提高焊盤和引腳的可焊性和抗氧化能力，減少焊點(diǎn)界面反應(yīng)的發(fā)生。
四、結(jié)論
在工控領(lǐng)域多冗余設(shè)計(jì)的 PCBA 中，解決高溫環(huán)境下的焊點(diǎn)失效問題需要從PCBA加工工藝、多冗余設(shè)計(jì)、材料選擇和焊點(diǎn)增強(qiáng)技術(shù)等多個(gè)方面入手。通過優(yōu)化SMT貼片工藝、合理布局焊點(diǎn)、選用耐高溫材料和采用先進(jìn)的焊點(diǎn)增強(qiáng)技術(shù)，可以有效提高焊點(diǎn)的可靠性，確保 PCBA 在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。隨著工業(yè)自動(dòng)化和智能化的不斷發(fā)展，對(duì) PCBA 的可靠性要求越來越高，需要持續(xù)關(guān)注高溫環(huán)境下焊點(diǎn)失效問題的研究和解決，推動(dòng)工控領(lǐng)域 PCBA 技術(shù)的不斷進(jìn)步。
因設(shè)備、物料、生產(chǎn)工藝等不同因素，內(nèi)容僅供參考。了解更多smt貼片加工知識(shí)，歡迎訪問深圳PCBA加工廠-1943科技。
2024-04-26
