大功率 LED 和电源模块使用焊点不仅可以导电，还可以导热。这使得它们的焊点评估标准比传统元件更加严格：对于信号元件来说，不重要位置的空洞对于功率元件来说可能是一个严重的问题。
本文提供了有关读取 LED 和电源模块的焊锡层切片、评估金属间化合物层厚度、识别热循环引起的裂纹以及如何验证可靠性的说明。
1. 功率器件与普通器件有何不同？
| 因素 | 信号元件 | 功率元件 |
|---|---|---|
| 焊点的作用 | 导电 | 传导电力和热量 |
| 工作温度 | 低、稳定 | 高，随着开/关周期振荡 |
| 无效的影响 | 主要是机械耐久性 | 兼顾耐用性和散热性 |
| 金属间化合物层时效率 | 慢 | 由于长期高温，速度明显加快 |
| 主要缺陷类型 | 少锡、错位 | 由于热循环而开裂，厚金属间化合物层 |
2. 切片的四个特征
| 特点 | 正常体征 | 需要注意的标志 |
|---|---|---|
| 鞋底下焊接层 | 厚度稳定，均匀覆盖鞋底区域 | 局部较薄，有无锡区 |
| 金属间化合物层 | 薄的连续带材 | 异常厚、波状、不连续 |
| 虚空 | 空洞很小，分散 | 底座中心大空洞 — 热传导的主要场所 |
| 裂纹 | 否 | 裂纹平行于界面或穿过焊点层 |
3. 金属间化合物层随工作温度增厚
金属间化合物层在焊接后立即形成，并随着时间的推移继续生长，在高温下生长速度急剧增加。由于功率组件在高温下连续工作，该层在产品生命周期中会显着增厚。
| 阶段 | 金属间化合物层的状况 | 后果 |
|---|---|---|
| 焊接后立即 | 薄、连续 | 粘接性好、延展性高 |
| 中温工作后 | 慢慢变稠 | 灵活性逐渐降低，尚可接受 |
| 经过长时间的高温 | 很厚，可能呈波浪状 | 受到热循环或机械冲击时易碎且容易破裂 |
| 生命周期结束 | 金属间化合物层中可能存在微裂纹 | 热阻增加，结温增加，形成螺旋恶化 |
由于该过程发生在整个产品生命周期中，因此仅评估金属间化合物层的初始状态是不够的。结果需要放在实际工作条件的背景下。
4. 与功率元件的空洞
空虚影响两种方式，而不仅仅是一种：
- 热线：空洞减小了热传导切片，导致热量在元件中积聚，并且结温高于设计。
- 机械路径：空洞是应力集中点，在热循环时成为裂纹开始的地方。
因此，在评估功率焊接层中的空洞时，有必要记录所有三个参数：面积比、最大空洞尺寸以及相对于主热路的空洞位置。主热路上的空洞比边缘处的空洞严重得多。
5. 常见错误及辨别方法
| 错误 | 切片上的标记 | 如何区分 |
|---|---|---|
| 由于热循环而破裂 | 裂纹平行于界面延伸，通常靠近焊点层边缘 | 热循环试验后出现，测试前样品中不存在 |
| 由于机械冲击而破裂 | 沿倾斜方向穿过焊层的裂纹 | 裂纹区域周围有撞击变形的痕迹 |
| 空洞浓度 | 比目鱼肌区域有大气泡 | 焊接后立即可用，不随热循环而增加 |
| 焊接层分层 | 两层锡之间或锡与焊盘之间的分离间隙 | 关于原始样品中存在的表面污染 |
| 包中的单独类 | 组件体内的间隙，不是焊点的一部分 | 观察元件本体区域而不是锡区域 |
重要规则：为了确认热循环引起的开裂，必须有未经测试的对照样品。如果没有背景图像，则不能排除预先存在裂缝的可能性。
6. 验证可靠性
- 选取热循环或热冲击：产生重复应力以揭示开裂倾向。
- 长时间选取高功率：评估金属间化合物层和空洞的演变。
- 测量结温或热阻：评估空洞对散热能力的实际影响。
- 在多个时间点切割样品：测试前、测试间和测试后查看进度。
7. 常见问题
Void 对散热影响有多大？
没有通用阈值，因为它取决于散热器设计、功率和结温要求。该阈值应根据具体产品的热模型确定。
LED 灯坏了是焊点造成的吗？
不一定。这可能是由于发光层、内部连接线或焊点造成的。切片有助于准确确定哪个地板受损。
热循环后是否需要切割样品？
强烈推荐。这是确认裂纹是在测试过程中形成而不是预先存在的唯一方法。
金属间化合物层厚一定不好吗？
并非总是如此，但当超过一定水平时，脆性会增加，可靠性会降低。需要根据元件的实际工况进行评估。
电源模块是否需要穿越多个位置？
是的。切割应在高电流区域、靠近散热器的区域和边缘区域进行，因为热条件和机械条件明显不同。
八、结论
对于功率元件，焊点既是电导体又是热导体，这就是它随着时间的推移而老化的原因。需要监测的两个过程是金属间化合物层增厚和空洞进展 — 如果仅在初始状态下检查，这两个过程都很难检测到。
要做的四件事：将金属间化合物层评估放在实际工作温度的背景下；根据相对于热路的位置写入 void；始终有预测试样品作为对照；并将热循环试验与热阻测量相结合，以获取实际效果的证据。
参考资料
- IPC-A-610 — 电子装配验收标准。
- J-STD-001 — 电气焊接和电子组装的要求。
- IPC-TM-650 方法 2.1.1 — 显微切片。
- 制造商提供的有关热管理和电源组件可靠性的技术文档。
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