在工控领域，设备常常需要在高温环境下稳定运行，而 PCBA印刷电路板组件作为核心部件，其焊点的可靠性至关重要。多冗余设计的 PCBA 虽能提高系统的稳定性和容错能力，但在高温环境下，焊点失效问题却愈发凸显。深圳PCBA加工厂-1943科技将探讨高温环境对 PCBA 焊点的影响，分析焊点失效的原因，并结合PCBA加工和SMT贴片工艺，提出有效的解决措施。
一、高温环境对 PCBA 焊点的影响
（一）材料性能变化
高温会导致焊点材料的物理和化学性质发生改变。例如，焊料合金（如锡铅合金、无铅合金）在高温下会发生时效现象，晶粒粗化，从而降低焊点的强度和韧性。同时，PCB 基板材料在高温下可能会膨胀、变形，与焊点之间产生热膨胀系数不匹配的问题，进一步加剧焊点的应力。
（二）热应力累积
多冗余设计的 PCBA 通常包含更多的电子元件和焊点，布局更加密集。在高温环境中，不同元件和焊点的发热情况不同，导致局部温度分布不均匀，产生热梯度。这种热梯度会使焊点承受反复的热胀冷缩应力，长期作用下容易引发焊点疲劳开裂。
（三）焊点界面反应
高温会加速焊点与基板、元件引脚之间的界面反应，形成金属间化合物（IMC）。随着时间的推移，IMC 层会不断增厚，其脆性较大，会降低焊点的连接强度，最终导致焊点失效。
二、焊点失效的主要原因分析
（一）PCBA加工工艺缺陷
在PCBA加工过程中，SMT贴片工艺的参数设置不当是导致焊点失效的重要原因之一。例如，回流焊温度曲线不合理，升温速率过快或过高，会导致焊料飞溅、焊点虚焊、桥接等问题；焊接时间过长或过短，会影响焊料的润湿效果和 IMC 的形成。此外，焊膏的选择和印刷质量、元件贴装精度等也会对焊点质量产生影响。
（二）多冗余设计带来的挑战
多冗余设计增加了 PCBA 的复杂度，焊点数量增多，布局更加紧凑。这使得焊点之间的间距减小，散热条件变差，容易形成局部高温区域。同时，冗余元件的存在使得焊点承受的机械应力和热应力更加复杂，尤其是在振动、冲击等动态环境下，焊点更容易发生失效。
（三）高温环境下的长期可靠性问题
长期处于高温环境中，焊点会经历持续的热老化过程。除了上述的材料性能变化和界面反应外，高温还会加速焊点内部缺陷的扩展，如气孔、裂纹等。这些缺陷在常温下可能不会影响焊点的性能，但在高温下会迅速恶化，导致焊点失效。
三、解决高温环境下焊点失效问题的措施
（一）优化PCBA加工工艺
- SMT贴片工艺优化
- 合理选择焊膏：根据高温环境的要求，选择耐高温、润湿性好、可靠性高的焊膏。例如，无铅焊膏中的 Sn-Ag-Cu（SAC）合金具有较好的高温性能。
- 优化回流焊温度曲线：根据 PCB 基板材料、元件类型和焊膏特性，制定合适的回流焊温度曲线。确保预热阶段温度均匀上升，避免元件和基板受到过大的热冲击；保温阶段使焊膏充分熔融和润湿；冷却阶段控制冷却速率，减少焊点内部应力。
- 提高贴装精度：确保元件贴装位置准确，避免因贴装偏差导致焊点受力不均。同时，控制贴装压力，防止元件损坏和焊膏挤出。
- 加强焊点检测
- 采用自动光学检测（AOI）、X 射线检测（X-Ray）等技术，对焊点进行全面检测，及时发现虚焊、短路、气孔等缺陷。
- 进行焊点可靠性测试，如高温老化试验、热循环试验等，评估焊点在高温环境下的长期可靠性。
（二）改进多冗余设计
- 合理布局焊点
- 在 PCB 设计阶段，充分考虑多冗余设计的特点，合理分布焊点位置，避免焊点过于密集。增加焊点之间的间距，改善散热条件，减少热应力集中。
- 对于关键焊点，如冗余元件的连接焊点，采用加大焊盘、增加焊料量等措施，提高焊点的强度和可靠性。
- 热管理设计
- 在PCBA上设置散热元件，如散热片、热管等，将热量及时散发出去，降低焊点周围的温度。
- 采用导热性能好的 PCB 基板材料，如陶瓷基板、金属基 PCB 等，提高PCBA的整体散热能力。
- 优化元件布局，将发热元件和对温度敏感的元件分开布置，避免发热元件对焊点造成直接影响。
（三）选用耐高温材料
- 焊料选择
- 对于高温环境下的 PCBA，可选用耐高温的焊料，如高铅焊料（如 Sn-95Pb）、金锡焊料等。这些焊料具有较高的熔点和良好的高温性能，能够承受长期的高温环境。
- PCB 基板材料
- 选择耐高温的 PCB 基板材料，如聚酰亚胺（PI）基板、聚苯醚（PPE）基板等。这些材料具有较低的热膨胀系数和较高的玻璃化转变温度（Tg），能够减少高温下的变形和应力。
- 元件封装材料
- 选用耐高温的元件封装材料，如陶瓷封装、金属封装等，提高元件在高温环境下的可靠性，减少对焊点的影响。
（四）采用先进的焊点增强技术
- 焊点加固
- 对关键焊点进行加固处理，如使用焊点保护胶、底部填充胶（Underfill）等。这些材料能够增强焊点的机械强度，减少热应力和振动对焊点的影响。
- 对于多引脚元件，如 BGA、QFP 等，采用底部填充工艺，填充元件与 PCB 之间的间隙，提高焊点的抗疲劳性能。
- 表面处理技术
- 在 PCB 焊盘和元件引脚上采用合适的表面处理工艺，如浸金（ENIG）、浸银（ImAg）等，提高焊盘和引脚的可焊性和抗氧化能力，减少焊点界面反应的发生。
四、结论
在工控领域多冗余设计的 PCBA 中，解决高温环境下的焊点失效问题需要从PCBA加工工艺、多冗余设计、材料选择和焊点增强技术等多个方面入手。通过优化SMT贴片工艺、合理布局焊点、选用耐高温材料和采用先进的焊点增强技术，可以有效提高焊点的可靠性，确保 PCBA 在高温环境下稳定运行。随着工业自动化和智能化的不断发展，对 PCBA 的可靠性要求越来越高，需要持续关注高温环境下焊点失效问题的研究和解决，推动工控领域 PCBA 技术的不断进步。
因设备、物料、生产工艺等不同因素，内容仅供参考。了解更多smt贴片加工知识，欢迎访问深圳PCBA加工厂-1943科技。
2024-04-26
