可靠性技术
铝基印制电路板焊装工艺与可靠性研究
成钢孙洁
（兰州空间物理研究所， 甘肃 兰州 730000）
摘 要 从铝基印制电路板的特性入手， 对不同厂家的产品进行了测试对比， 并对铝基印制电路 板与元器件的膨胀系数不匹配问题进行了分析， 提出了减缓应力的措施， 通过环境试验对不同安装方式 下的焊点可靠性进行了验证。
ZHILIANG YU KE KAOXING
5 2013 年第 4 期◆总第 166 期
可靠性技术
导电层： 相当于普通印制电路的覆铜层， 线路 铜箔厚度一般为 35～75μm。
导热绝缘层： 是一层低热阻导热绝缘材料， 厚 度为 0.07～0.30mm， 不同的厂家采用不同的材料和 工艺来保证绝缘强度和导热率， 是金属基覆铜板的 核心技术所在。
关键词 铝基印制电路板 元器件 焊装 可靠性
引言
随着航天电子产品向高密度、 多功能化发展， 使得功率电子产品向高效、 高功率方向发展成为必 然趋势。 特别是以电源类产品为代表的大功率输出 电子产品， 散热问题往往是产品工艺设计中的重点 与难点。 近年来发展起来的具有优良散热性能的陶 瓷基和金属基印制板可有效解决功率元器件散热问 题。
铝基印制电路板由于具有上述优良性能， 在工
业设备、 电源设备等领域， 特别是在 LED 照明工 程中得到广泛应用[1]。
但是优良的散热性能又使得铝基印制电路板在 电子装联过程中出现新的问题。 首先是手工焊接 时， 散热快使得焊接温度不能使焊锡完全浸润， 焊 点合金层形成困难， 从而导致器件与覆铜层结合力 差， 焊点不可靠； 其次， 印制电路板的基材为金属 铝合金， 铝合金材料固有的膨胀系数较大， 而表贴 器件通常为陶瓷基材， 具有较小的膨胀系数， 因此 二者存在膨胀系数失配问题， 严格地讲， 膨胀系数 相差 2ppm ／ ℃时， 对可靠性就会带来影响[2]。
可靠性技术
表1 试验用元器件清单
序号
封装形式
1
0805
2
1206
3
1210
4
1812
5
2225
6
E、 F 壳
7
SMD-0.5、 SMD-1
8
LCC-18
9
LCC-20
10
D-5B、 MELF、 LL-41、 SOT
11
轴向器件
常用器件 CC41L 系列、 CT41L 系列电容器
RMK 系列电阻器 CC41L 系列、 CT41L 系列电容器 CC41L 系列、 CT41L 系列电容器 CC41L 系列、 CT41L 系列电容器
SMD-1a
SMD-1b
SMD-1c
SMD-1d
图7 SMD-1封装焊盘结构示意图
图5 LCC-18封装器件开裂情况
图6 SMD-1元器件本体开裂情况 2.2 焊盘图形结构变化的焊接可靠性
对焊盘结构进行优化， 降低应力集中点的应力 分布。 特别是对于 SMD-1 封装的器件， 焊盘面积 较大， 焊点长度增大， 加剧了局部膨胀失配现象的 发生。 在焊点和被浸润的基材界面处， 除了存在剪 应力外， 还存在更大的剥离应力。 器件芯片尺寸越 大， 焊接后， 其在温度循环中要承受的剪切力也就
采用标准的元器件封装， 通过调整再流焊工艺 参数， 在试验件印制电路板上进行了焊接后的可靠 性试验。
取 4 块电路板和元器件进行焊接试验， 焊接后 外观检查完好， 进行力学环境试验后再进行温度循 环试验。 由于膨胀系数的失配， 在焊接过程中温度 下降焊料凝固， 即存在焊接后的应力作用； 但是大 部分元器件 （焊点） 由于材料的机械强度影响， 在 焊接后并未造成明显的损坏。 依照环境试验要求进 行 200 个 温 度 循 环 试 验 ， 试 验 后 显 微 检 查 结 果 表 明： 阻容器件中， 除 2225 封装的电容器出现焊点
2） 良好的机械加工性。 铝基印制电路板具有 高机械强度和韧性， 可以实现大面积印制电路的制 造， 且可安装重量较大的元器件。 目前市场可选的 铝基板基材厚度可达 3.2mm， 国外一些电源研制单 位已将电路板和安装底板合并使用。
3） 电磁屏蔽性。 铝基印制电路板具有良好的 屏蔽功能， 可防止电磁波的辐射和干扰， 保证电路 的正常工作。
因此， 有必要对铝基印制电路板的特性和器件 焊装可靠性进行研究， 进一步提高产品的可靠性。
1 铝基印制电路板的结构和性能研究
金属基印制板是金属基板、 介质层和印制线三 位一体的复合印制线路板， 由金属基层、 导热绝缘 层、 导电层 3 部分组成。 金属基印制板结构见图1。
图1 金属基印制板结构示意图
陶瓷基材的电路板由于受到机械强度和加工工 艺的影响， 尺寸较小， 只适合个别器件的散热， 并 且给结构设计和生产阶段的电装带来困难。 而金属 基的印制电路板， 除具有普通覆铜板的一般性能 外， 还有以下优点。
1） 优异的散热性。 铝基印制电路板具有优越的 散热性能， 由它组装成的印制板组件在工作过程中， 能及时发散热量， 避免器件升温影响设备工作。
ZHILIANG YU KE KAOXING
7 2013 年第 4 期◆总第 166 期
可靠性技术
后出现微裂纹现象， 开裂位置与 SMD-1 封装器件 一致， 共开裂 3 只， 占焊接器件总量 15%。
2225-a 型焊盘焊接电容自第 180 个温度循环、 2225-c 型焊盘焊接电容自 第 100 个 温 度 循 环 后 出 现开裂现象， 开裂位置均为焊点， 如图 9 所示。
可靠性的试验研究是通过采用标准工艺焊接、 焊盘结构优化、 应力补偿等技术措施， 以及元器件 焊接后进行对比试验来分析确定技术措施实施后的 可靠性的优劣。
试 验 选 用 了 进 口 MP-06503 型 1mm 厚 的 铝 基 印制电路板， 以及常用的表贴元器件作为研究对 象。 试验用元器件清单如表 1 所示。 2.1 标准工艺焊接的可靠性
2225-a
2225-b
2225-c
图8 2225封装焊盘结构示意图
在进行力学环境试验后， 进行温度循环试验。 SMD-1a 在 180 个循环后出现微裂纹现象， 开裂位 置为焊点， 200 个循环后， 32 只器件中 30 只器件 发 生 不 同 程 度 的 开 裂 ； SMD-1b 焊 盘 封 装 器 件 在 200 个 循 环 后 ， 16 只 器 件 完 好 3 只 ， 大 端 开 裂 1 只， 小端开裂 8 只， 侧面出现裂纹 4 只； SMD-1c 焊盘共焊接器件 20 只， 在 220 个循环后开始出现 焊 点 微 裂 纹 ， 截 止 300 个 循 环 后 ， 共 开 裂 11 只 ， 占焊接器件总量 55%， 开裂位置均在小焊盘一端； SMD-1d 焊 盘 共 焊 接 器 件 10 只 ， 在 180 个 循 环 后 开始出现焊点微裂纹， 截止 300 个循环后， 共开裂 10 只， 两端均有开 裂 现 象 。 SMD-0.5 焊 盘 共 焊 接 器件 20 只， 采用图 7 第二种焊盘至第 300 个循环
金属基层： 是金属基板， 一般是铝或铜。 铝基板与 FR-4 板等几种材质的膨胀系数和导 热率见图 2[3]。
热 膨 胀 系 数 （CTE）[ppm/K] 导热率 [W/m·K]
基材选择考虑因素
25
400
CTE
350
20
导热率
300
15
250
200
10
150
5
100
50
0 FR4（x，y） 铝
0 铜 不锈钢 氧化铝 硅
CAK45 系列固体钽电容器 MOS 管、 整流管 MOS 管、 整流管 1825 等 PWM
1N5811U、 2CK84E、 ZW104、 2N3501 等晶体管 2CK84E、 ZW104 等
备注 表面贴装
开裂 （35 只样品开裂 22 只） 外， 其余本体及焊点 外 观 完 好 ， MOS 管 （LCC-18） 器 件 10 只 明 显 开 裂 9 只， SMD-1 封装功率 管 32 只 有 30 只 发 生 开 裂现象， 如图 5、 图 6 所示。
图10 元器件抬高0.4mm焊接示意图
图9 电容焊点开裂示意图 1812 封 装 的 瓷 介 质 电 容 器 在 370 个 温 度 循 环 后， 有 1 例在焊点部位出现微裂纹， 500 个循环结 束后， 有 4 例在焊点部位出现微裂纹 （试验样件共 50 只）。 其余小型封装的电容在试验过程中未出现 焊点发生微裂纹或元器件的开裂损坏。 试验结果表 明 ： SMD-1 封 装 器 件 所 设 计 的 多 种焊盘均发生开裂， 减小大端焊盘焊接面积可有效 防止阴极一侧 （大焊盘） 陶瓷体开裂， 但开裂位置 移至小端焊盘一侧。 SMD-0.5 封装器件至第300 个 温度循环后首次出现开 裂 现 象 ， 说 明 SMD-0.5 封 装器件承受应力能力远优于 SMD-1 封装器件。 2.3 应力补偿后的焊接可靠性 增加表贴元器件的应力释放结构。 通过在表贴 元器件焊极增加应力释放结构， 减缓元器件端电极 的受力， 以提高元器件抵抗焊点应力的能力， 提高 元器件的安装可靠性。 试件采用两种方式进行应力释放效果验证。 一 种 是 将 器 件 抬 高 0.4mm， 用 增 加 元 器 件 的 焊 料 高 度， 通过焊料的塑性变形来减缓内应力的大小。 该 方 式 符 合 ECSS-Q-ST-70-38C 的 规 定 。 另 一 种 是 对于 1812 和 2225 封装的陶瓷电容， 加工制作了专 用支架， 通过支架自身材料的变形来减缓应力。 两 种焊接方式如图 10、 图 11 所示。 按照规定的环境试验条件进行试验， 在 200 个 温度循环后， 抬高焊接电容器焊点出现微裂纹的比 例与未抬高焊接无明显差别； 在经历 500 个温度循 环 后 ， 带 支 架 的 2225 和 1812 封 装 电 容 各 30 只 ， 器件外观与焊点外观完好， 显微镜检查元器件及焊 点外观完好， 剖切检查未见微裂纹。 试验结果表明： 由于铝基板膨胀系数与元器件