在工業(yè)控制領(lǐng)域，主板的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。高溫、振動(dòng)、溫度循環(huán)等苛刻工況對(duì)SMT貼片焊點(diǎn)構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

有研究表明，焊點(diǎn)失效主要是由于產(chǎn)品周期性工作導(dǎo)致的溫度變化，以及外界環(huán)境周期性的溫度變化，導(dǎo)致互連焊點(diǎn)發(fā)生周期性的應(yīng)力應(yīng)變作用，從而引起焊點(diǎn)的熱疲勞和蠕變疲勞。這些失效機(jī)制在工業(yè)控制主板上表現(xiàn)得尤為突出。

01 高溫工況對(duì)焊點(diǎn)可靠性的挑戰(zhàn)

工業(yè)環(huán)境中的持續(xù)高溫和溫度波動(dòng)引發(fā)焊點(diǎn)失效的主要誘因。

在無鉛焊接成為主流的今天，焊料熔點(diǎn)提高使得焊接工藝窗口變得更窄。無鉛焊點(diǎn)相比傳統(tǒng)錫鉛焊點(diǎn)具有更高的彈性模量和更低的延展率，一旦承受外力或工藝應(yīng)力，會(huì)直接將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到最薄弱環(huán)節(jié)，造成裂紋。

溫度對(duì)焊料的力學(xué)性能影響極為顯著。隨著溫度升高，焊料的彈性模量和硬度逐漸降低，發(fā)生軟化現(xiàn)象。

較高溫度下的蠕變應(yīng)力指數(shù)減小，焊料的蠕變抗力降低，這些變化直接影響了焊點(diǎn)在長(zhǎng)期高溫工作中的壽命。

工業(yè)控制主板面臨的挑戰(zhàn)不僅來自持續(xù)高溫，更來自溫度循環(huán)。在設(shè)備啟停、季節(jié)交替、晝夜變換等情況下，主板經(jīng)歷著反復(fù)的熱脹冷縮。

由于焊點(diǎn)與PCB基板及元器件之間存在著熱膨脹系數(shù)不匹配，這種循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致焊點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形，逐漸形成裂紋并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致失效。

02 材料選擇與優(yōu)化策略

應(yīng)對(duì)高溫挑戰(zhàn)，首先需要從材料選擇入手。

對(duì)于工業(yè)控制主板這類高可靠性產(chǎn)品，焊料合金的選擇至關(guān)重要。Sn-Ag-Cu系列無鉛焊料是當(dāng)前的主流選擇，但其具體配比需要精心考量。

研究表明，Sn96.5Ag3Cu0.5無鉛焊料在高溫環(huán)境下的蠕變激活能為75.5KJ/mol，這一數(shù)據(jù)為高溫性能評(píng)估提供了依據(jù)。

元器件和PCB的耐溫性能同樣不容忽視。無鉛焊接對(duì)元器件提出了更高要求，最根本原因在于焊接溫度的提高。

傳統(tǒng)錫鉛共晶焊料的熔點(diǎn)為183℃，而常用的錫銀銅無鉛焊料熔點(diǎn)約為217℃，這使得熱致失效風(fēng)險(xiǎn)大大加劇。

PCB基材方面，需要關(guān)注的不只是玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg），還包括分解溫度（Td）。當(dāng)溫度高于Td，樹脂材料化學(xué)鍵斷裂會(huì)引起不可逆的物理與化學(xué)性能的嚴(yán)重?fù)p傷。

對(duì)于工業(yè)控制主板，推薦使用高Tg、高Td的PCB材料，以確保在高溫環(huán)境下仍能保持優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性和電氣性能。

03 精密工藝控制技術(shù)

精密工藝控制是保障焊點(diǎn)可靠性的核心環(huán)節(jié)。

回流焊工藝是SMT生產(chǎn)線的核心環(huán)節(jié)，其質(zhì)量與效率的提高集中體現(xiàn)在回流溫度曲線的優(yōu)化與控制上。

針對(duì)某回焊爐的仿真研究表明，通過優(yōu)化參數(shù)，傳送帶速度可設(shè)置為82.44 cm/s，五大溫區(qū)溫度分別設(shè)置為165℃、185℃、225℃、265℃、25℃，可獲得理想的回流溫度曲線。

對(duì)于無鉛焊接，冷卻速率的控制同樣關(guān)鍵。冷卻速率太慢會(huì)使金屬間化合物增長(zhǎng)過厚，結(jié)晶組織粗化，還可能出現(xiàn)板塊狀的Ag3Sn，大大降低焊點(diǎn)可靠性。

一般情況下，冷卻速率最小要高于1.2℃/s，但不要高于2.5~3℃/s。

在混合組裝情況下——尤其是無鉛BGA器件與有鉛焊膏的組合——需要特別關(guān)注工藝參數(shù)的調(diào)整。研究表明，通過將峰值溫度設(shè)置在222℃到235℃之間，適當(dāng)延長(zhǎng)183℃以上的時(shí)間，可以獲得可以接受的結(jié)果。

04 先進(jìn)檢測(cè)與可靠性驗(yàn)證方法

完備的檢測(cè)與驗(yàn)證體系是保障焊點(diǎn)可靠性的最后一道防線。

菊花鏈線路的壽命評(píng)估板是一種有效的焊點(diǎn)壽命評(píng)估方法。通過設(shè)定典型應(yīng)力水平的溫度循環(huán)試驗(yàn)，并根據(jù)加速模型進(jìn)行外推，可以預(yù)測(cè)焊點(diǎn)壽命數(shù)據(jù)。

溫度循環(huán)試驗(yàn)是考核焊點(diǎn)可靠性的主要方法。按照IPC-9701A標(biāo)準(zhǔn)，溫度循環(huán)的幅度分為多個(gè)等級(jí)，低溫區(qū)0～-55℃，高溫區(qū)+100～125℃。

優(yōu)選的條件是溫度循環(huán)在0～100℃，并在最低和最高溫度點(diǎn)處保持10min，升溫或降溫速率小于或等于20℃/min。

最新的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22-A104（2020年版）將溫度循環(huán)的條件修改為11種，如A（-55～85）、B（-55～125）、J（0～100）、K（0～125）等。

對(duì)于工業(yè)控制主板，推薦選擇與實(shí)際使用環(huán)境相近的條件，以確保加速應(yīng)力條件下焊點(diǎn)的失效機(jī)理與實(shí)際使用中情況保持一致。

其他可靠性測(cè)試方法還包括：

• 振動(dòng)試驗(yàn)：模擬運(yùn)輸或使用過程中的振動(dòng)環(huán)境，可采用隨機(jī)振動(dòng)或正弦振動(dòng)

• 跌落試驗(yàn)：評(píng)估產(chǎn)品從一定高度自由跌落后結(jié)構(gòu)或焊點(diǎn)的完整性

• 高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)：考查高溫與時(shí)間對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響，特別是焊點(diǎn)界面金屬間化合物的生長(zhǎng)

• 濕熱試驗(yàn)：確定焊點(diǎn)在高溫高濕環(huán)境下工作或儲(chǔ)存的適應(yīng)性

我國(guó)2021年發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 11789-2021《無鉛焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)方法》為無鉛焊點(diǎn)的驗(yàn)收和可靠性評(píng)價(jià)提供了專業(yè)指導(dǎo)。

即將于2025年9月實(shí)施的GB/T 45713.4-2025標(biāo)準(zhǔn)則專門規(guī)定了陣列型封裝器件焊點(diǎn)的耐久性試驗(yàn)方法。

05 失效分析與持續(xù)改進(jìn)

建立系統(tǒng)化的失效分析流程對(duì)于提升焊點(diǎn)可靠性至關(guān)重要。

當(dāng)焊點(diǎn)出現(xiàn)失效時(shí)，需要通過金相切片、染色檢測(cè)、掃描電鏡觀察等多種手段分析失效模式和原因。

焊點(diǎn)的斷裂模式會(huì)隨著時(shí)間推移從韌性斷裂逐漸變?yōu)榛旌蠑嗔选Ｍㄟ^分析斷口形貌，可以了解斷裂機(jī)理，進(jìn)而改進(jìn)工藝參數(shù)。

針對(duì)BGA焊點(diǎn)，染色檢測(cè)是一種有效的分析手段。如果是錫裂的焊點(diǎn)，拔開后斷面是凹凸不平的，并且被染色；而拔斷的正常焊點(diǎn)則其斷裂面是平滑光亮的。

根據(jù)這個(gè)特征，很容易區(qū)分出發(fā)生錫裂的焊點(diǎn)。

持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)積累和過程監(jiān)控。通過統(tǒng)計(jì)過程控制方法，對(duì)SMT生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，建立參數(shù)與焊點(diǎn)可靠性之間的關(guān)聯(lián)模型，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)見性的質(zhì)量保障。

焊點(diǎn)可靠性保障是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。從材料選擇、工藝控制到檢測(cè)驗(yàn)證，每個(gè)環(huán)節(jié)都需嚴(yán)謹(jǐn)把控。1943科技通過建立完善的質(zhì)量保障體系，確保每一塊工業(yè)控制主板即使在最苛刻的環(huán)境中也能保持穩(wěn)定運(yùn)行。

工業(yè)環(huán)境正在變得越來越復(fù)雜，但對(duì)可靠性的追求從未改變。我們相信，通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚳刂疲袊?guó)制造工業(yè)控制主板定能在全球工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。