关于引脚处点热熔胶对焊点可靠性影响的研究

张成成 宣圣贵 江 勇

【摘 要】 在电子行业中，通常会通过对元器件点热熔胶来对元器件进行固定。而焊点本身在长期使用过程中，由于长期处于热疲劳作用下，焊点自身内部氧化物与空洞增加，导致焊点内部脆弱易裂。若此时焊点引脚再受到外力，就会加剧焊点的失效。通过对一批引脚点热熔胶并且已使用三年的空调主板进行金像分析与试验，发现热熔胶热胀冷缩的特性严重影响了焊点的可靠性。试验还发现，具有优异柔软性的热熔胶对焊点的作用力更大，损坏更严重。

【关键词】 热熔胶 焊点 裂纹 热疲劳

1 点热熔胶焊点失效机理与因素

1.2不同材料膨胀系数的差异。PCB板、元器件引脚、焊锡、热熔胶等的膨胀系数本身是存在差异的，当温度循环过大时各个材料间会因为膨胀系数不同产生应力。一旦产生的应力超过了焊锡的韧性时，焊点内部就会产生裂纹。而点热熔胶的焊点，会因为热熔胶热胀冷缩对引脚附加作用力，进而加速引脚脱焊。

1.3焊点内部金属氧化物生长的影响。在焊点内部，铜箔与焊锡结合处会形成一层以Cu6Sn5和Cu3Sn为主的硬度和脆性较大的金属间化合物（IMC）。這种化合物厚度会随着温度升高和加热时间的增加而增加，同时也降低了焊点的抗拉强度。由于电路持续工作，电流通过焊点或电阻时产生的焦耳热无法散发时，就会促进该处焊点Cu与Sn形成Cu6Sn5，同时Cu原子与Sn原子的结合，会导致空洞的产生。随着IMC层不断变厚，Cu的扩散变得困难，就会与Cu6Sn5反应生成Cu3Sn。

Cu6Sn5+9Cu→5Cu3Sn

从原子水平看，随着Cu原子的消耗，以及1个Sn原子和3个Cu原子形成Cu3Sn时，其体积会缩小8.5%的特性，Kirkendall空洞会伴随Cu3Sn的形成进一步大量出现。随着时间的增加与热效应的持续作用，这些空洞就会在焊点内部形成裂纹。

2 实例剖析

2.1事件描述。一批空调在酒店使用三年半后，大批量出现显示温度的双“8”出现显示不全情况，故障现象为左“8”或右“8”整体缺失。共计安装99台，失效27台，失效比例接近27%。通过对失效的主板进行分析，发现主板失效原因为显示电路打热熔胶的引脚焊点脱焊。从焊点失效情况来看，初步判定为热应力与机械应力双重作用失效，机械应力为主导作用。

2.2焊点失效分析。分别对显示电路打热熔胶的脱焊引脚与未脱焊引脚做金像进行分析，很明显脱焊引脚焊锡层已经完全开裂。未脱焊的引脚在沿着引脚IMC层已经出现一道裂纹。

结合该批空调都使用在酒店，长期处于工作状态。造成此次焊点失效的原因为，空调在售后长期使用，焊点产生大量焦耳热使焊点内部的IMC层加速形成，焊点的脆性增加。加上引脚外部点有热熔胶，热熔胶在空调反复运行与关机过程中热胀冷缩，对引脚反复施加挤拉的外界作用力，促使了焊点的开裂失效，缩短了主板的寿命。

3 试验验证

3.1试验材料

取13—16年生产的主板共计15块。用二种热熔胶进行对比验证，二种热熔胶分别编号1号和2号，具体各项参数如表1：

3.2试验方法。首先对1号、2号热熔胶固化过程中对引脚的应力应变情况进行测试。测试发现1号热熔胶加热柔软性与流动性的特性，使其在固化时对引脚的应力应变最大值达到373uE。而具有100%固成分的2号热熔胶对引脚的应力应变最大值只有48uE。1号热熔胶对引脚的作用力要远大于2号热熔胶的作用力。

再分别用二种热熔胶对主板各引脚处进行点热熔胶处理，热熔胶要覆盖整个引脚。再参照IPC-9701标准对试验条件设置，温度循环试验分别在-40℃到125℃，-40℃维持15min，125℃维持20min，温度切换时间为2.5min，共计循环240个周期。

3.3试验结果。1）从试验后，热熔胶外观来看。经过温度循环冲击以后，2号热熔胶熔点较高，外观变化不大。而1号热熔胶熔点较低，已经开始流动，且经温度循环冲击后，胶体已经出现裂纹。2）分别对点1号热熔胶、2号热熔胶以及没有点热熔胶的焊点在高倍放大镜下观察。点1号热熔胶的焊点，14年及以前生产的用过二年左右的主板已经出现轻微开裂，16年生产的未见明显裂纹；点2号热熔胶的焊点13-16年生产的都已经失效，焊点已经严重损坏；没有点热熔胶的焊点，在13-14年生产且用过三年的主板在引脚上锡不圆润处出现了裂纹痕迹，而15年以后的主板未点热熔胶的焊点基本上完好无损。同步观察在稳压块、大电容等本体上点热熔胶的焊点，所有焊点上锡饱满，均没有出现裂纹。

4结语

热熔胶在固定元器件上能起到很好的作用，但在使用热熔胶固定元器件时要注意点热熔胶的位置。因为电子产品在长期使用过程中，焊点内部流过的电流产生的焦耳热促进了焊点内部IMC层和孔洞的形成，使得焊点本身就脆弱易裂。若直接将热熔胶点在元器件引脚处，热熔胶热胀冷缩、软化固化对引脚的作用力会加剧引脚焊点的实效，缩短电子产品的使用寿命，不利于产品可靠性。因此，用热熔胶固定电子元器件要在元器件本体处点热熔胶，不能直接在元器件引脚处点热熔胶。

【参考文献】

[1] 黄萍. 焊点的失效模式与分析[J]. 电子工艺技术，2006，27（4）：205-208.