在工控領(lǐng)域，設(shè)備常常需要在高溫環(huán)境下穩(wěn)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(guān)重要。多冗余設(shè)計的 PCBA 雖能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯能力，但在高溫環(huán)境下，焊點失效問題卻愈發(fā)凸顯。深圳PCBA加工廠-1943科技將探討高溫環(huán)境對 PCBA 焊點的影響，分析焊點失效的原因，并結(jié)合PCBA加工和SMT貼片工藝，提出有效的解決措施。

一、高溫環(huán)境對 PCBA 焊點的影響

（一）材料性能變化

高溫會導(dǎo)致焊點材料的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。例如，焊料合金（如錫鉛合金、無鉛合金）在高溫下會發(fā)生時效現(xiàn)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(chǎn)生熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，進一步加劇焊點的應(yīng)力。

（二）熱應(yīng)力累積

多冗余設(shè)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(huán)境中，不同元件和焊點的發(fā)熱情況不同，導(dǎo)致局部溫度分布不均勻，產(chǎn)生熱梯度。這種熱梯度會使焊點承受反復(fù)的熱脹冷縮應(yīng)力，長期作用下容易引發(fā)焊點疲勞開裂。

（三）焊點界面反應(yīng)

高溫會加速焊點與基板、元件引腳之間的界面反應(yīng)，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(dǎo)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(shù)設(shè)置不當(dāng)是導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)量、元件貼裝精度等也會對焊點質(zhì)量產(chǎn)生影響。

（二）多冗余設(shè)計帶來的挑戰(zhàn)

多冗余設(shè)計增加了 PCBA 的復(fù)雜度，焊點數(shù)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(qū)域。同時，冗余元件的存在使得焊點承受的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力更加復(fù)雜，尤其是在振動、沖擊等動態(tài)環(huán)境下，焊點更容易發(fā)生失效。

（三）高溫環(huán)境下的長期可靠性問題

長期處于高溫環(huán)境中，焊點會經(jīng)歷持續(xù)的熱老化過程。除了上述的材料性能變化和界面反應(yīng)外，高溫還會加速焊點內(nèi)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(dǎo)致焊點失效。

三、解決高溫環(huán)境下焊點失效問題的措施

（一）優(yōu)化PCBA加工工藝

1. SMT貼片工藝優(yōu)化

• 合理選擇焊膏：根據(jù)高溫環(huán)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(yōu)化回流焊溫度曲線：根據(jù) 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(yù)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(nèi)部應(yīng)力。
• 提高貼裝精度：確保元件貼裝位置準(zhǔn)確，避免因貼裝偏差導(dǎo)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。

2. 加強焊點檢測

• 采用自動光學(xué)檢測（AOI）、X 射線檢測（X-Ray）等技術(shù)，對焊點進行全面檢測，及時發(fā)現(xiàn)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(huán)試驗等，評估焊點在高溫環(huán)境下的長期可靠性。

（二）改進多冗余設(shè)計

1. 合理布局焊點

• 在 PCB 設(shè)計階段，充分考慮多冗余設(shè)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(yīng)力集中。
• 對于關(guān)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。

2. 熱管理設(shè)計

• 在PCBA上設(shè)置散熱元件，如散熱片、熱管等，將熱量及時散發(fā)出去，降低焊點周圍的溫度。
• 采用導(dǎo)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(yōu)化元件布局，將發(fā)熱元件和對溫度敏感的元件分開布置，避免發(fā)熱元件對焊點造成直接影響。

（三）選用耐高溫材料

1. 焊料選擇

• 對于高溫環(huán)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(huán)境。

2. 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(shù)和較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），能夠減少高溫下的變形和應(yīng)力。

3. 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(huán)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(shù)

1. 焊點加固

• 對關(guān)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(yīng)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。

2. 表面處理技術(shù)

• 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(yīng)的發(fā)生。

四、結(jié)論

在工控領(lǐng)域多冗余設(shè)計的 PCBA 中，解決高溫環(huán)境下的焊點失效問題需要從PCBA加工工藝、多冗余設(shè)計、材料選擇和焊點增強技術(shù)等多個方面入手。通過優(yōu)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(shù)，可以有效提高焊點的可靠性，確保 PCBA 在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行。隨著工業(yè)自動化和智能化的不斷發(fā)展，對 PCBA 的可靠性要求越來越高，需要持續(xù)關(guān)注高溫環(huán)境下焊點失效問題的研究和解決，推動工控領(lǐng)域 PCBA 技術(shù)的不斷進步。

因設(shè)備、物料、生產(chǎn)工藝等不同因素，內(nèi)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。