在工控領域，設備常常需要在高溫環境下穩定運行，而 PCBA印刷電路板組件作為核心部件，其焊點的可靠性至關重要。多冗余設計的 PCBA 雖能提高系統的穩定性和容錯能力，但在高溫環境下，焊點失效問題卻愈發凸顯。深圳PCBA加工廠-1943科技將探討高溫環境對 PCBA 焊點的影響，分析焊點失效的原因，并結合PCBA加工和SMT貼片工藝，提出有效的解決措施。
一、高溫環境對 PCBA 焊點的影響
（一）材料性能變化
高溫會導致焊點材料的物理和化學性質發生改變。例如，焊料合金（如錫鉛合金、無鉛合金）在高溫下會發生時效現象，晶粒粗化，從而降低焊點的強度和韌性。同時，PCB 基板材料在高溫下可能會膨脹、變形，與焊點之間產生熱膨脹系數不匹配的問題，進一步加劇焊點的應力。
（二）熱應力累積
多冗余設計的 PCBA 通常包含更多的電子元件和焊點，布局更加密集。在高溫環境中，不同元件和焊點的發熱情況不同，導致局部溫度分布不均勻，產生熱梯度。這種熱梯度會使焊點承受反復的熱脹冷縮應力，長期作用下容易引發焊點疲勞開裂。
（三）焊點界面反應
高溫會加速焊點與基板、元件引腳之間的界面反應，形成金屬間化合物（IMC）。隨著時間的推移，IMC 層會不斷增厚，其脆性較大，會降低焊點的連接強度，最終導致焊點失效。
二、焊點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貼片工藝的參數設置不當是導致焊點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，會導致焊料飛濺、焊點虛焊、橋接等問題；焊接時間過長或過短，會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量、元件貼裝精度等也會對焊點質量產生影響。
（二）多冗余設計帶來的挑戰
多冗余設計增加了 PCBA 的復雜度，焊點數量增多，布局更加緊湊。這使得焊點之間的間距減小，散熱條件變差，容易形成局部高溫區域。同時，冗余元件的存在使得焊點承受的機械應力和熱應力更加復雜，尤其是在振動、沖擊等動態環境下，焊點更容易發生失效。
（三）高溫環境下的長期可靠性問題
長期處于高溫環境中，焊點會經歷持續的熱老化過程。除了上述的材料性能變化和界面反應外，高溫還會加速焊點內部缺陷的擴展，如氣孔、裂紋等。這些缺陷在常溫下可能不會影響焊點的性能，但在高溫下會迅速惡化，導致焊點失效。
三、解決高溫環境下焊點失效問題的措施
（一）優化PCBA加工工藝
- SMT貼片工藝優化
- 合理選擇焊膏：根據高溫環境的要求，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。
- 優化回流焊溫度曲線：根據 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，減少焊點內部應力。
- 提高貼裝精度：確保元件貼裝位置準確，避免因貼裝偏差導致焊點受力不均。同時，控制貼裝壓力，防止元件損壞和焊膏擠出。
- 加強焊點檢測
- 采用自動光學檢測（AOI）、X 射線檢測（X-Ray）等技術，對焊點進行全面檢測，及時發現虛焊、短路、氣孔等缺陷。
- 進行焊點可靠性測試，如高溫老化試驗、熱循環試驗等，評估焊點在高溫環境下的長期可靠性。
（二）改進多冗余設計
- 合理布局焊點
- 在 PCB 設計階段，充分考慮多冗余設計的特點，合理分布焊點位置，避免焊點過于密集。增加焊點之間的間距，改善散熱條件，減少熱應力集中。
- 對于關鍵焊點，如冗余元件的連接焊點，采用加大焊盤、增加焊料量等措施，提高焊點的強度和可靠性。
- 熱管理設計
- 在PCBA上設置散熱元件，如散熱片、熱管等，將熱量及時散發出去，降低焊點周圍的溫度。
- 采用導熱性能好的 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。
- 優化元件布局，將發熱元件和對溫度敏感的元件分開布置，避免發熱元件對焊點造成直接影響。
（三）選用耐高溫材料
- 焊料選擇
- 對于高溫環境下的 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和良好的高溫性能，能夠承受長期的高溫環境。
- 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和較高的玻璃化轉變溫度（Tg），能夠減少高溫下的變形和應力。
- 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，提高元件在高溫環境下的可靠性，減少對焊點的影響。
（四）采用先進的焊點增強技術
- 焊點加固
- 對關鍵焊點進行加固處理，如使用焊點保護膠、底部填充膠（Underfill）等。這些材料能夠增強焊點的機械強度，減少熱應力和振動對焊點的影響。
- 對于多引腳元件，如 BGA、QFP 等，采用底部填充工藝，填充元件與 PCB 之間的間隙，提高焊點的抗疲勞性能。
- 表面處理技術
- 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，減少焊點界面反應的發生。
四、結論
在工控領域多冗余設計的 PCBA 中，解決高溫環境下的焊點失效問題需要從PCBA加工工藝、多冗余設計、材料選擇和焊點增強技術等多個方面入手。通過優化SMT貼片工藝、合理布局焊點、選用耐高溫材料和采用先進的焊點增強技術，可以有效提高焊點的可靠性，確保 PCBA 在高溫環境下穩定運行。隨著工業自動化和智能化的不斷發展，對 PCBA 的可靠性要求越來越高，需要持續關注高溫環境下焊點失效問題的研究和解決，推動工控領域 PCBA 技術的不斷進步。
因設備、物料、生產工藝等不同因素，內容僅供參考。了解更多smt貼片加工知識，歡迎訪問深圳PCBA加工廠-1943科技。
2024-04-26
