通孔插件焊接可靠性: 焊盤和通孔尺寸的影響-深圳市福英達
通孔插件焊接可靠性: 焊盤和通孔尺寸的影響
IC芯片通常需要封裝在一個陶瓷或塑料外殼內(nèi)部以達到保護芯片的作用。IC芯片與外部的電通路需要由引腳來完成，需要引腳與芯片實現(xiàn)互連。引腳連接可以是通孔插裝形式的也可是表面貼裝形式。在高電壓和高功率的應(yīng)用場景中，使用帶引腳的通孔插裝元件仍然是很好的解決方案。對于通孔插裝元件而言，焊接往往用到波峰焊技術(shù)，通過將引腳浸泡在熔融焊錫中從而達到焊接目的。一系列因素會對焊點可靠性帶來影響，如焊盤和通孔尺寸，PCB表面處理等。本文章簡單介紹PCB焊盤和通孔參數(shù)設(shè)計對通孔插裝元件的無鉛焊接可靠性的影響。
Sobolewski等人測試了通孔插件（電阻和IC元件）的波峰焊接可靠性。波峰焊的焊料采用的是SAC305合金，焊接溫度控制在了260℃。熱循環(huán)的溫度區(qū)間和次數(shù)分別為-20-80℃和550次。此外PCB的表面經(jīng)過熱風整平處理，在焊盤表面鍍上無鉛錫銅鎳保護層（SnCu0.7Ni0.05）以避免銅氧化。
圖1. 測試器件在PCB上的布局 (藍色框)， J: 電阻器（淺藍）； K: DIP集成電路 (黑色)。
表1. 測試電阻器和DIP的通孔和焊盤的尺寸。
測試結(jié)果
Sobolewski等人發(fā)現(xiàn)所有通孔內(nèi)的電阻器引腳均被無鉛SAC305焊料完整包裹。經(jīng)過SEM觀察后發(fā)現(xiàn)電阻器J1的焊點幾乎沒有空洞，意味著焊點的強度保持良好。銅表面和焊料之間形成了致密的IMC層(Cu，Ni)6Sn5，且厚度均在2.5-3.5μm的范圍。集成電路K1-K3在焊后可靠性也可接受，銅表面同樣形成了(Cu，Ni)6Sn5層。
圖2. 電阻器J1 (a, b)和J3 (右) 的焊點SEM圖。
富集鎳的(Cu，Ni)6Sn5相在焊料基體中以分散的細小沉淀形式生長。重要的是(Cu，Ni)6Sn5相中的鎳成分能夠影響其形態(tài)的變化，并加速(Cu，Ni)6Sn5相的生長。此外，鎳的存在還遏制了劣性Cu3Sn IMC的生長。Sobolewski等人還發(fā)現(xiàn)隨著通孔直徑和焊盤尺寸擴大， 焊點出現(xiàn)缺陷的可能性增加。電阻器J3的通孔尺寸最大，相應(yīng)的焊接空洞數(shù)量也最多（圖2）。類似的，通孔和焊盤尺寸較大的K2和K3在波峰焊后發(fā)現(xiàn)焊點會出現(xiàn)更多的空洞甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。
熱循環(huán)測試
在經(jīng)過550次熱循環(huán)測試后，電阻器和集成電路都面臨著更大的失效風險?？斩吹臄?shù)量隨著熱循環(huán)的進行變得更多?？斩丛诶鄯e到一定程度后會成為微裂痕，導(dǎo)致焊點在外力作用下很容易發(fā)生斷裂。J1-J3都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的微裂痕，但J2和J3的空洞數(shù)量更多。K3在熱循環(huán)后出現(xiàn)了焊點裂紋現(xiàn)象，意味著焊點機械強度下降?？梢姷氖呛副P和通孔尺寸對焊點可靠性影響很明顯。
圖3， 熱循環(huán)后焊點微觀結(jié)構(gòu), (a) J1; (b ) J2; (c) J3; (右側(cè)) K3。
隨著表面貼裝技術(shù)逐漸替代通孔插裝成為主流，深圳市福英達為此生產(chǎn)了適用于表面貼裝的超微無鉛錫膏產(chǎn)品，適用于微間距高密度焊接。錫膏在回流后形成的焊點有著高可靠性和電熱性能。
參考文獻
Sobolewski, M., Wojewoda-Budka, J., Huber, Z., Zieba, P. & Wierzbicka-Miernik, A. (2021). “Solder joints reliability of through hole assemblies with various land and hole design”. Microelectronics Reliability, vol.125.
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