文章来源：表面贴装与微组装工艺技术

李福勇，蒋庆磊，王燕清，王旭艳

（中国电子科技集团公司第十四研究所，江苏南京，210039）

摘 要：焊点失效是电子装备质量问题的主要原因。焊点失效一方面源于生产装配过程中的焊接不良，其次是环境温度或通电状态变化时，基板与元器件封装材料之间热膨胀系数差异带来的热应力损伤，以及服役过程中的机械、振动造成的机械损伤及应力应变条件下的焊点疲劳失效。焊点失效的主要表征为焊点开裂，本文针对实际工作中一些服役过程中焊点受应力开裂失效的案例进行分析，研究焊点开裂失效机理，并提出了避免焊点开裂的建议。

关键词：焊点开裂；机械应力；热应力；机理分析；可靠性

1 引言

随着电子信息技术的飞速发展，电子产品在航空、军事、工业以及人们的生活中都占有非常重要的地位，其可靠性越来越受到人们的重视。在采用表面组装工艺进行互联的电子产品中，元器件与印制电路板之间主要通过焊点实现互联，焊点起到机械支撑和电气互联的作用，焊点的可靠性直接影响到产品的使用寿命[1]，尤其在航空、航天及军工领域，电子系统的故障与失效都可能造成巨大的损失，因此电子产品的稳定、可靠、安全地运行显得尤为重要。

随着近年来武器装备逐渐向集成化、高密度化和轻量化的发展，作为其核心的电子组件组装密度急剧提高，组装难度明显加大，且产品往往要经受热真空、温度循环和力学振动/冲击等恶劣环境条件的考验，军用电子组件的薄弱环节已经从元器件失效转移到了焊点的互联失效，焊点互联失效的表征主要为焊点开裂，导致元器件焊点开裂的因素涉及工艺、设计、操作、材料和使用等多个环节，具体原因包括元器件引脚可焊性差、机械应力、热膨胀系数差异导致的热应力、金脆问题、引脚成型不当、焊点冷焊以及焊点少锡等方面。本文对几个典型案例焊点开裂的原因和机理进行分析，并提出防止焊点开裂的工艺措施。

2 案例分析

在元器件引脚焊点开裂的原因中，通过控制焊接工艺参数，采用自动光学检测等手段，可以防止出现冷焊、少锡等问题，通过对元器件装配前进行可焊性测试，必要时进行搪锡处理，对镀金器件进行洗金处理等方式，可避免由于元器件引脚可焊性差或金脆带来的开裂问题。此外，产品交付前的筛选、摸底等环境试验，一般可以剔除此类问题引起的早期失效。

然而，焊点受应力的影响，通过辅助设备的检测难以发现，常规筛选也不能充分暴露缺陷，其对焊点可靠性的影响程度往往难以评估，该类问题将成为电子组件长期的可靠性隐患，需要开展深入研究，分析问题发生的根源并彻底解决。

2.1 机械应力开裂

作用在焊点上的应力，包括机械应力和热应力，甚至热机复合应力。机械应力，是指物体受到外力而变形时，在其内因各部分之间相互作用而产生的应力。当印制板组件中元器件焊点受到板弯应力、装配应力或其他持续机械应力（压应力等）作用时，当作用在焊点上的应力超过焊点所能承受的能力时，会导致焊点开裂失效。当焊接部位受到机械应力反复作用时，即便当这种应力远低于屈服应力水平时，也可能引起金属材料的疲劳。经过大量高频率振动循环后，疲劳失效就会发生。尽管每次振动循环对焊点的破坏跟小，但经过多次循环，将会在焊点处产生裂纹，随着时间的推移，裂纹会随着循环次数的增加而扩展、蔓延。

2.1.1 局部板弯应力

某产品在服役过程中报故，故障件返回后进行故障原因排查，发现某SOP器件多个引脚发生焊点开裂现象，裂纹由引脚趾部出现，并向焊点内部扩展，如下图所示。

检查该印制板组件，平整度较好，无明显变形，变形量满足标准0.75%的要求。进一步检查发现，电缆接地处焊锡铺展至散热板横梁安装位置，焊点已受挤压变形，焊锡厚度约0.46 mm，如图2所示。该问题导致盖板安装紧固后，印制板受压，故障器件位置反向变形，焊点受应力。

该印制板与散热壳体接触面镀金，为可焊接镀层，在焊接电缆的接地点时，由于焊锡熔化后存在表面张力，会沿着镀层润湿、铺展，在图2示意位置形成焊点。焊点受挤压后，导致该位置抬高约0.5 mm，螺钉位置距离焊点位置约3 mm，螺钉紧固后，局部变形量超过印制板弓曲度0.75%的标准要求，故障器件位置印制板变形，焊点受应力，如图4所示，长期服役过程中将造成焊点开裂问题。

选取其他该印制板组件，检查该器件焊点无异常，将电缆接地处增加焊锡，使散热板横梁位置可挤压焊点，安装散热板后进行振动试验，观察焊点情况。共进行3次振动试验，每次1小时，实验结果如下：振动1小时后，部分引脚焊点存在疑似开裂现象，如图5所示，振动2小时后，观察到部分焊点开裂，如图6所示，振动3小时后，裂纹存在扩展现象，如图7所示，故障复现。

2.1.2 局部拉应力、压应力

在另外一个产品中，发现在使用过程中无法启动，经过故障排查，发现某一QFP器件引脚焊点开裂，裂纹由引脚趾部出现，并向焊点内部扩展，如下图8所示。

对开裂原因进行分析发现，该器件在装配时，先在器件底部垫导热绝缘衬垫，导热绝缘衬垫厚度为0.25 mm。查询器件资料，器件引脚至本体底部距离为0.1 mm，如图9所示，器件底部垫入0.25 mm的衬垫后，将导致焊点持续受力，如图10所示，故本例故障的原因是器件底部导热绝缘衬垫厚度选用不当，造成器件引脚焊点受应力，在长期服役过程中焊点开裂。

同时，在其他需要利用导热衬垫通过散热冷板散热的产品中，导热衬垫的厚度应选取合适，若导热衬垫过厚或器件顶面与散热凸台之间间隙过小，会造成器件引脚焊点持续受压应力而导致开裂。

当器件受到向下的压应力时，应力将沿着器件传递到引脚上，器件引脚受到到如图11所示方向的应力。由于焊锡的强度小于引线和印制板的强度，焊锡是焊点中的薄弱位置，在过大的应力作用下会发生焊点开裂失效。

2.2 热膨胀系数适配导致焊点开裂

热应力，是指温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由膨胀而产生的应力，与机械应力有无不同，热应力一般表现为剪切应力，但对焊点的破坏机理是一致的，即作用在焊点上的应力超过焊点所能承受的能力而裂开。

由于表面贴装元器件、PCB和焊料之间的热膨胀系数不匹配，当环境温度发生变化（如环境温度的周期性起伏）或元器件本身的功率发热（电源的周期性通/断）时，由于元器件与基板之间的热膨胀系数不一致，焊点内会产生热应力，应力的周期性变化导致焊点的热疲劳失效。热疲劳失效的主要变形机理是蠕变，当温度超过熔点温度（以K为单位）的一半时，蠕变就成为重要的变形机理[2]。对于锡铅焊点而言，即使在室温时已超过熔点温度的一半，因此在热循环过程中蠕变成为主要的热变形疲劳开裂机理。

某型号产品在执行任务过程中出现故障，通过排故分析，定位至某外购模块中CQFP器件引脚焊点开裂，经过故障树排查，焊点开裂原因为热失配问题及器件引脚共面性不足。

该器件封装形式如下图所示，器件本体为陶瓷封装，引脚为可伐合金，采用Sn63Pb37焊料焊接，焊接完成后未采用任何加固措施。器件的陶瓷封装材料热膨胀系数（6.9 ppm）与印制板热膨胀系数（17 ppm）差异较大，当陶瓷封装元器件安装于印制板上时，由于印制板热膨胀系数比陶瓷大，在高温工作环境条件下，虽然二者都同时伸长，但印制板的伸长量比陶瓷伸长量大，在不等量伸长的情况下，装配体就会形成所谓的“笑脸”曲线弯曲。在低温工作环境条件下，虽然二者都同时收缩，但印制板的收缩量比陶瓷收缩量大，在不等量收缩的情况下，装配体就会形成所谓的“哭脸”曲线弯曲。产品长期在服役环境条件下工作，会产生较大热应力，若引线焊点无法承受因伸缩量差异而产生的拉、压应力时，焊点就会发生开裂现象。因此，印制板与陶瓷元器件的热膨胀系数不匹配是导致焊点开裂的重要原因之一

在该故障件中，通过进一步排查发现，发生焊点开裂的引脚轻微翘起，高度超过了0.3 mm，航天标准《QJ 3171-2003航天电子电气产品成型技术要求》规定[3]：端头搭接包括圆形与扁平引线两种，引线的成型应使其引线脚与焊盘相接触。引线翘起或离开焊盘表面的高度不应超过0.25 mm，表面贴装器件的引线共面度应≤0.1 mm，若器件发生翘起（图14），将导致焊锡无法爬到要求的高度，造成焊接接触面变小，从而造成虚焊缺陷，焊点强度降低，在环境应力条件下易造成焊点开裂问题，此案例中引脚翘起问题加剧了热失配引起的开裂问题。

3 避免元器件焊点受应力开裂的工艺措施

通过对元器件引脚焊点在服役过程中受机械应力及热失配产生的热应力开裂的案例分析，为提升焊点的可靠性，总结一些工艺措施如下：

（1）规范印制板设计，特别是焊盘设计，焊盘尺寸和形状的设计，对于焊点形状的形成有着直接的影响，而焊点的形状直接决定着焊点的强度，因此良好的焊盘设计，可以从根本上提高装联的可靠性。

（2）强化结构设计，在设计源头应充分考虑配装过程中的干涉问题，优化空间设计，避免造成装配后印制板局部变形问题。对于利用导热衬垫散热的结构设计，应严格匹配导热衬垫的压缩量，控制元器件与散热板之间的间隙。由于元器件封装尺寸、印制板加工精度以及元器件焊接后的高度存在公差累积，此间隙可通过配高方式控制，避免导热衬垫过分压缩造成元器件焊点持续受应力问题。

（3）对于陶瓷封装器件，焊点的可靠性主要取决于焊点的质量，但由于存在热失配等因素的影响，可采用有效的力学加固方式，提高焊点的力学性能。对于QFP、CBGA类器件，通常可采用边角加固或底部填充胶加固的方式[4]。在结构空间及电性能需求允许的条件下，可采用CCGA的封装形式，通过高精度焊柱互联的形式，释放热失配引起的应力。

（4）提高引线成型质量，按要求控制其共面性、搭接长度、端头形状和翘曲度等。严格控制成型流程，做好成型质量的检验，在条件许可的条件下，应采用工装成型或采用设备成型等有效手段，保证成型质量。

4 结论

随着近年来武器装备逐渐向集成化、高密度化和轻量化的发展，电子组件的薄弱环节已经从元器件失效转移到了焊点的互联失效，成为影响电子组件可靠性的一个突出问题。焊点互联失效的表征主要是焊点开裂，导致元器件焊点开裂的因素涉及工艺、设计、操作、材料和使用等多个环节。本文梳理了元器件引脚可焊性、机械应力、热应力、金脆问题、器件引脚成型问题、焊点冷焊以及焊点少锡等多方面造成焊点开裂的因素，并结合实际案例重点分析了元器件引脚焊点在服役过程中受应力开裂的具体原因及机理，提出相应的工艺措施，希望能够对电子组件元器件焊点可靠性保证工作起到一定的作用。

参考文献

1.曹瑞.插装元器件引脚焊点开裂失效分析与控制[J].金属加工,2019:92-96.

2.王文利.电子组装工艺可靠性[M].北京:电子工业出版社.2011.

3.QJ 3171航天电子电气产品成型技术要求[S].

4.吴广东,任江燕等.航天用CQFP封装器件力学加固工艺技术研究[J].电子工艺技术,2016(6):339-341.