通孔插件焊接可靠性: 焊盘和通孔尺寸的影响-深圳市福英达
通孔插件焊接可靠性: 焊盘和通孔尺寸的影响
IC芯片通常需要封装在一个陶瓷或塑料外壳内部以达到保护芯片的作用。IC芯片与外部的电通路需要由引脚来完成，需要引脚与芯片实现互连。引脚连接可以是通孔插装形式的也可是表面贴装形式。在高电压和高功率的应用场景中，使用带引脚的通孔插装元件仍然是很好的解决方案。对于通孔插装元件而言，焊接往往用到波峰焊技术，通过将引脚浸泡在熔融焊锡中从而达到焊接目的。一系列因素会对焊点可靠性带来影响，如焊盘和通孔尺寸，PCB表面处理等。本文章简单介绍PCB焊盘和通孔参数设计对通孔插装元件的无铅焊接可靠性的影响。
Sobolewski等人测试了通孔插件（电阻和IC元件）的波峰焊接可靠性。波峰焊的焊料采用的是SAC305合金，焊接温度控制在了260℃。热循环的温度区间和次数分别为-20-80℃和550次。此外PCB的表面经过热风整平处理，在焊盘表面镀上无铅锡铜镍保护层（SnCu0.7Ni0.05）以避免铜氧化。
图1. 测试器件在PCB上的布局 (蓝色框)， J: 电阻器（浅蓝）； K: DIP集成电路 (黑色)。
表1. 测试电阻器和DIP的通孔和焊盘的尺寸。
测试结果
Sobolewski等人发现所有通孔内的电阻器引脚均被无铅SAC305焊料完整包裹。经过SEM观察后发现电阻器J1的焊点几乎没有空洞，意味着焊点的强度保持良好。铜表面和焊料之间形成了致密的IMC层(Cu，Ni)6Sn5，且厚度均在2.5-3.5μm的范围。集成电路K1-K3在焊后可靠性也可接受，铜表面同样形成了(Cu，Ni)6Sn5层。
图2. 电阻器J1 (a, b)和J3 (右) 的焊点SEM图。
富集镍的(Cu，Ni)6Sn5相在焊料基体中以分散的细小沉淀形式生长。重要的是(Cu，Ni)6Sn5相中的镍成分能够影响其形态的变化，并加速(Cu，Ni)6Sn5相的生长。此外，镍的存在还遏制了劣性Cu3Sn IMC的生长。Sobolewski等人还发现随着通孔直径和焊盘尺寸扩大， 焊点出现缺陷的可能性增加。电阻器J3的通孔尺寸最大，相应的焊接空洞数量也最多（图2）。类似的，通孔和焊盘尺寸较大的K2和K3在波峰焊后发现焊点会出现更多的空洞甚至出现断裂现象。
热循环测试
在经过550次热循环测试后，电阻器和集成电路都面临着更大的失效风险。空洞的数量随着热循环的进行变得更多。空洞在累积到一定程度后会成为微裂痕，导致焊点在外力作用下很容易发生断裂。J1-J3都没有发现明显的微裂痕，但J2和J3的空洞数量更多。K3在热循环后出现了焊点裂纹现象，意味着焊点机械强度下降。可见的是焊盘和通孔尺寸对焊点可靠性影响很明显。
图3， 热循环后焊点微观结构, (a) J1; (b ) J2; (c) J3; (右侧) K3。
随着表面贴装技术逐渐替代通孔插装成为主流，深圳市福英达为此生产了适用于表面贴装的超微无铅锡膏产品，适用于微间距高密度焊接。锡膏在回流后形成的焊点有着高可靠性和电热性能。
参考文献
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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