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第三章 電子組件焊接工藝分析及案例研究
第三章 電子組件焊接工藝分析及案例研究
1.焊接工藝原理
2.電子組件典型焊接過程分析
3.焊接工藝難點討論
4.典型焊接失效案例討論
形成良好焊點的關鍵是:在焊接界面良好潤濕,并形成合適的金屬間化合物。
3.1 焊接工藝原理
無鉛／錫鉛焊料被加熱到熔點以上，焊接金屬表面在助焊劑的活化作用下，對金屬表面的氧化層和污染物起到清洗作用，同時使金屬表面獲得足夠的激活能。熔融的焊料在經過助焊劑凈化的金屬表面上進行浸潤、發生擴散、冶金結合，在焊料和被焊接金屬表面之間生成金屬間結合層，冷卻后使焊料凝固，形成焊點。
焊接的本質是焊料和被焊材料之間形成有效的金屬連接。
焊接過程描述
關鍵因素：焊料／助焊劑／被焊金屬材料／溫度*時間
焊接核心過程分析-潤濕
潤濕的定義： 熔化的焊料在準備焊接的母材（PCB焊盤或引腳表面）進行充分的漫流和擴散的過程。 潤濕的條件：
?清潔的表面
?合適的焊接溫度
?助焊劑的保護
?合適的焊接材料
楊氏方程 潤濕是焊接的首要條件！
潤濕是焊接的首要條件！
焊點的*潤濕角 15~45 °
當θ=0°時，*潤濕；當θ=180°時，*不潤濕。
潤濕的不同狀態
金屬原子以結晶排列，原子間作用力平衡，保持晶格的形狀和穩定。
當金屬與金屬接觸時，界面上晶格紊亂導致部分原子從一個晶格點陣移動到另一個晶格點陣。
擴散條件：相互距離（金屬表面清潔，無氧化層和其它雜質， 兩塊金屬原子間才會發生引力）溫度（在一定溫度下金屬分子才具有動能）
焊接過程分解--擴散
四種擴散形式：表面擴散；晶內擴散；晶界擴散；選擇擴散。
（3）合金化－冶金結合，形成結合層良好焊接工藝典型焊點切片照片
混合組裝良好焊點照片
合金界面
焊料內部
合金厚度對焊點可靠性的影響不能忽略
混合組裝良好焊點照片
IMC過厚易導致焊點開裂
3.2 電子組件典型焊接過程分析
?回流焊接過程分析
?波峰焊接過程分析
?手工焊接過程分析
1）表面貼裝工藝總體要求 2）回流焊接工藝曲線 3）回流焊接的幾個難點分析 4）回流焊接失效案例分析
3.2.1 回流焊接過程分析
1）錫膏印刷----體積合適、錫膏使用規范 2）貼片工藝----貼片壓力、貼片精度 3）回流焊接---溫度曲線設置合理 4）測試工藝---防止不恰當的測試 5）在組裝過程中要求防止靜電或潮濕敏感損傷
表面貼裝工藝總體要求
涉及要求：
可制造性設計（焊盤設計、鋼網設計，工藝線路選擇）
工藝參數控制（錫膏印刷，貼片，回流曲線）
組裝過程（環境，人員）
測試手段
典型產品回流曲線設置考慮要素
1 組裝密度—熱容量考慮(總量,分布)
2 焊接材料---焊料合金類型和助焊劑類型
3 PCB、器件耐溫能力（zui高溫度）
4 焊接設備（加熱方式，加熱效率）
5 復雜器件的影響
目前流行的溫度曲線分析（一）
④峰值溫度
熔點
⑥冷卻速度
②預熱溫度
①升溫速度
③預熱時間
時 間
⑤加熱時間
零件耐熱臨界溫度領域 Sn-3Ag-0.5CuSn-8Zi-3Bi①升溫速度3℃/s以下3℃/s以下②預熱溫度140～160℃130～150℃③預熱時間50～100s30～60s④峰值溫度焊劑熔點+10～20℃230～245℃210～220℃⑤加熱時間(熔點以上)這是一種能夠對整塊基板進行均勻加熱的時間時間太長會灼傷電子零件20～60℃20～60s⑥冷卻速度3～6℃/s3～6℃/s速度太慢會造成立碑、縮孔速度太快會產生裂紋條 件速度太快會造成焊劑激劇沸騰、產生裂紋這種溫度使焊劑迅速活化，能夠清除氧化膜，且利用峰值溫度迅速實現均熱。溫度過高會引起焊料氧化這是一種能夠均勻預熱基板的時間時間太長會引起焊料氧化影響到潤濕性、潤濕上升形狀、焊點形成、界面組織(→接合強度、可靠性)
溫度
目前流行的回流曲線分析（二）
回流缺陷：大的空洞/冷焊-----工藝控制不良
回流焊接工藝缺陷分析
典型缺陷：焊點冷焊
焊接助焊劑殘留導致電化學遷移
波峰焊接技術要點
①助焊劑均勻噴涂
②溫度曲線合理（預熱和峰值溫度）
波峰焊接工藝過程分析
注：沒有一條適用于任何組裝條件的溫度曲線
?預熱溫度 110-150oC
?傳送速度：0.7-1.2m/min
?錫爐溫度：255-270 oC
?冷卻速度：3~8℃/S
?傳輸角度：5～7
波峰焊接溫度曲線
波峰焊接工藝缺陷分析
缺陷：焊點填充不足-----工藝優化
波峰焊接預熱不足導致吹孔
PCBA樣品在波峰焊接后插件焊點存在空洞。 PCB烘板或波峰前進行回流焊接處理能夠改善空洞情況。
金相分析
未烘烤
烘烤后
烘烤前后進行模擬波峰焊接 1）上錫良好 2）未烘烤存在空洞 3）烘烤后不存在空洞
模擬焊接試驗
1 樣品描述：波峰焊接后，片式電容元件波峰焊后不上錫，片式元件一端端頭無爬錫和PCB焊盤上錫量很少 。
波峰焊接漏錫缺陷-陰影效應
外觀、金相分析
PCB焊盤和器件端子處均沒有焊料。
綜合分析
對樣品的外觀分析表明，元件焊接不良的部位具有相同的方向，即具有方向性，在波峰焊接中由于錫波的方向及速度的不同，易引起陰影效應，造成同一方向的上錫不良。 金相切片分析表明，所有焊接不良元件的一端焊接良好，可見明顯的金屬間化物，而元件另一端和對應的PCB焊盤同時上錫不良。 綜上所述，造成元件焊接不良的原因為波峰焊接過程中助焊劑涂敷不均勻不到位及波峰焊接的陰影效應。
?焊接材料（助焊劑）殘留導致的漏電，腐蝕
?BGA，POP封裝器件的枕頭效應
?波峰焊接橋連失效
?波峰焊接填充高度不夠
?焊接裝配過程機械過應力失效
?靜電敏感器件ESD失效
?塑封集成電路潮濕敏感損傷
?PCB的爆板，分層
3.3 影響電子組件工藝質量的難點分析
3.3.1 焊接殘留導致的PCBA漏電，腐蝕
助焊劑的作用： ?? 去除母材和焊料上的氧化物 ?? 熱過程中防止母材和焊料再度氧化 ?? 降低釬焊料表面張力，促進擴散和潤濕； ?? 傳遞熱量； 助焊劑要求： ?? 活化溫度要比焊料的熔點低 ?? 表面張力，粘度和比重都要比焊料小 ?? 生成的殘渣要容易去除 ?? 對母材及焊料無腐蝕性 ?? 不產生毒氣和臭味 助焊劑的危害 殘留導致的漏電、腐蝕（離子殘留難以發現）
腐蝕性、兼容性問題 電化學遷移等問題突出。
3.3.1 焊接殘留導致的PCBA漏電，遷移失效
案例1 助焊劑導致的直接腐蝕
離子漏電的驗證方法
1）潮熱試驗前后絕緣特性對比 2）清洗前后的絕緣特性分析 3）離子色譜分析 4）離子清潔度測試 屬于直接證據較難獲得的失效類型，取決于焊接材料選擇和工藝工藝設置
電遷移是在直流電壓的影響下發生的離子運動，導致電失效。
電化學遷移
在潮濕條件下，金屬離子會在陽極形成，并向陰極遷移，形成樹枝狀晶體，當樹枝狀晶體連接兩種導體時造成短路，而且樹枝晶體內的電流驟增二發生熔斷。
電化學遷移在PCB表面的形成可能是助焊劑的殘留或其他殘留的污染所致。
電化學遷移機理
陽極
陰極
電化學遷移時的反應
?離子的溶解度
?離子的遷移率（溫度和擴散系數）
?PH值對溶解度的影響（污染物鹽的溶解度取決于PH值）
?離子的反應性
?溫度（溶解度、遷移率、活性）
?濕度（zui關鍵的因素）
影響電化學遷移的因素
常見金屬的電化學遷移能力比較(快)Ag>Cu>Pb>Sn-Pb>Sn>Au（慢）
PCBA樣品表面的測試焊盤中出現不同程度的電遷移（ECM）現象，且電遷移現象均發生在沉銀焊盤偏移開槽部位的阻焊涂覆層表面
出現ECM的失效部位
電遷移失效案例1 -銀離子遷移
測試盤與阻焊壩（Solder Mask Dam）均有較大偏移，且焊盤有不同程度的發黃或變暗形象
2 外觀檢查
EDS分析，枝狀物中主要含有銀（Ag）及少量的銅（Cu）金屬元素，另外存在有較高含量的碳（C）及少量的氧（O）、硫（S）、溴（Br）、氯（Cl）元素
3 SEM分析
3 SEM分析
對大銅箔面上的阻焊膜（Solder Mask）進行SEM觀察，發現：焊盤附近的阻焊膜表面上有白色殘留，且阻焊膜上有較多顆粒裝物質。EDS分析發現白色殘留物和阻焊膜表面成分元素中均含有較高含量的碳（C）、氧（O）、硫（S）及少量的溴（Br）元素。前者還含有較高的銅（Cu）元素，后者含有較高的錫（Sn）元素。
3 SEM分析-阻焊膜
在SEM&EDS分析的基礎上對PCBA進行陰離子濃度測試，檢測結果發現：所檢樣品中含有較高的硝酸根離子（NO3－）、磷酸根離子（PO43－）、硫酸根離子（SO42-）以及溴（Br-）等陰離子 。
4 PCBA離子濃度分析
測試焊盤銅箔層與阻焊壩之間偏移大，且阻焊膜有突沿現象，突沿出來的阻焊膜與底層基材有明顯的縫隙 。縫隙容易積存溶液、潮氣等，為銀離子的遷移營造了潮濕或酸性的環境
5 金相分析
樣品中含有較高的硝酸根離子（NO3－）、磷酸根離子（PO43－）、硫酸根離子（SO42-）以及溴（Br-）等陰離子,這些陰離子與潮濕（水）共同作用，形成電解液，鍍銀電極在電解液的作用下發生電解，變為銀離子，銀離子在電極之間的電場作用下向負電極遷移，銀離子遷移過程中還原變為銀單質，因此在兩電極之間逐步形成銀導電通道而引起兩電極之間發生漏電或短路。 另方面，阻焊膜與PCB之間的毛細管效應引起其界面之間引入周邊的水及有害離子（或原來殘存于界面中），有阻焊膜偏位，縮短了阻焊膜的有效覆蓋范圍，加速了電極之間的水、有害離子形成，使銀遷移機理更易產生。 阻焊膜（Solder Mask）的白色殘留物以及阻焊膜本身均含有較高的硫（S）等元素極可能與PCB工藝中清洗不干凈有關，造成硫酸等的殘留；阻焊膜中金屬元素的殘留與阻焊膜工藝有關。
6 綜合分析
? 樣品失效表現為在大銅箔與測試焊盤間發生明顯的銀離子（Ag＋）遷移。
? 銀離子遷移的原因是過多的陰離子或鹵化物的殘留、水、電場的作用造成的。
? 阻焊壩與焊盤間有嚴重的偏位，阻焊膜有明顯的突沿以及阻焊膜與基材間的縫隙極易造成水汽、溶液等殘留，當清洗未到位時，極易給銀離子的遷移營造有利的環境
7 分析結論
SIR測試 2.6.3.3 測試樣品要求 測試樣品采用IPC-B-24梳型電路 基材采用FR4環氧玻璃 樣品數量：zui少3塊/每種，若要評估非清洗狀態則要6塊。 是否需要清洗根據助焊劑的活性等級確定。 注：目前基本采用的免清洗助焊劑不需要進行清洗，則樣品要9塊。
測試程序
1 清洗測試樣品（去離子水或蒸餾水，50 ℃ ，2h烘干）
2 施加助焊劑（漂、浸）
3 過245℃波峰焊接（錫膏采用印刷錫膏和回流焊接的形式）
4 樣品清洗
5 潮熱試驗（40 ℃ 90%RH，168小時，25V/mm電壓）
6 絕緣電阻測試
單股聚四氟乙烯導線，松香性助焊劑焊接；
測試周期小于20min
1M的限流電阻
7 zui終檢測
30X-40X
有無枝晶生長，變色，表面金屬遷移
SIR測試 2.6.3.3
免清洗樣品試驗后外觀檢查 3塊向上 3塊向下（需要經過波峰焊接） 電阻要連續檢測
3.3.2 BGA器件的枕頭效應
枕頭效應（Pillow-Head-Effect):
BGA類器件*的失效形式
3.3.2 BGA器件的枕頭效應（二）
枕頭效應（Pillow-Head-Effect)產生機理 1）芯片翹曲變形 2）溫度不同步 4）錫膏抗氧化能力 5）錫球氧化、污染 3）貼片精度
案例2 貼片偏位引起的BGA枕頭效應
信息：委托單位反應BGA存在焊接失效
X-ray分析：
BGA焊點存在明顯的異常，主要為存在明顯的枕頭效應。
所有焊點基本呈現一樣的特征
X-射線分析
金相分析： 結果和X-ray一致。
金相切片分析
SEM分析
SEM&EDS分析 焊球和焊料之間存在明顯的有機物； 有機物的成分和助焊劑殘留物一致； 錫膏和PCB焊盤之間潤濕良好。
EDS檢測
1）焊點存在明顯的偏位
2）焊料對焊盤潤濕良好
3）焊料和焊球表面存在助焊劑殘留
顯然，器件貼裝偏位是主要的原因。
背景：PCBA樣品BGA器件 (見圖1紅色箭頭所示)焊點存在焊接失效現象，要求對焊接失效原因進行分析
1）異常焊點分布在器件的位置隨機 2）異常焊點主要表現為針頭型失效
案例3 錫球氧化、污染引起的BGA枕頭效應
重要信息：
1）為混合組裝工藝（錫鉛焊料+無鉛BGA）
2）錫鉛焊料和PCB焊盤潤濕良好
3）錫鉛焊料和無鉛錫鉛充分接觸
4）錫鉛焊料和無鉛錫球之間存在明顯的不融合
5）無鉛錫球基本沒有錫鉛焊料
1）正常焊點錫鉛焊料和BGA錫球融合良好 2）焊料和PCB焊盤之間的合金IMC正常
金相分析
1）錫球表面存在很高的碳元素 推斷:存在污染的可能BGA器件來料質量分析
1）虛焊焊點隨機分布+所有虛焊點中，焊料和BGA焊球均充分接觸 推斷：板變形或器件變形導致焊球和焊料分離的可能性沒有 2）所有焊點中錫鉛焊料和PCB焊盤之間均形成了良好的IMC 推斷:由于焊接工藝溫度控制不當導致虛焊的可能性排除 由于PCB焊盤可焊性導致虛焊的可能性排除 4）失效點中錫鉛焊料和無鉛錫球未發生擴散 推斷:導致的原因可能為1）BGA錫球氧化或者污染 2）錫膏氧化或者污染 由于只在部分焊點上存在失效，且其它器件均正常，故排除錫膏的問題。 結論：導致BGA焊接失效的原因為BGA錫球存在污染或者氧化zui終導致焊點虛焊失效。
綜合分析及結論
案例4 POP封裝失效案例分析
三星和高通POP器件
（1）所檢頂部封裝焊料球的高度約為0.3mm，球間距為0.4mm；底部封裝焊料球的高度約為0.15mm。
（2）底部封裝2在測試過程中翹曲變形很大，碰到了光柵（光柵到樣品的距離大約為0.3mm），測試結果僅供參考（紅色字體標出）。
熱變形分析
熱變形分析 封裝變形量-400-300-200-1000100200300255010012515018020022024526024522020018015012510050溫度/℃變形量/μm頂部封裝底部封裝1底部封裝2
熱變形分析
POP器件各組成部分的熱變形太大是導致失效的主要原因
3.3.3 裝配過程中的過應力開裂失效
電子組件在焊接、運輸、使用等條件下，通常會由于熱機械變形，機械彎曲，機械振動和沖擊等，從而在焊點或者器件上產生機械應力，并zui終導致焊點或者器件失效。 焊點的機械失效模型通常用強度應力干涉模型來表示。
過應力開裂的特征：
1）應力集中位置首先失效
2）一般伴隨基材開裂
3）BGA器件較其他器件易失效
裝配過程中的過應力開裂失效特征
焊點過應力開裂是導致組件失效的主要原因
案例5 散熱器安裝導致焊點開裂失效
3.3.4 制造過程中靜電敏感器件損傷
靜電(Electrostatic，static electricity):
靜電就是靜止不動的電荷。它一般存在于物體的表面。是正負電荷在局部范圍內失去平衡的結果。
靜電是通過電子或離子轉移而形成的。靜電可由物質的接觸和分離、靜電感應、介質極化和帶電微粒的附著等物理過程而產生。
靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）:
處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉移就是靜電放電。這種轉移的方式有多種，如接觸放電、空氣放電。
一般來說，靜電只有在發生靜電放電時，才會對元器件造成傷害和損傷。如人體帶電時只有接觸金屬物體、或與他人握手時才會有電擊的感覺。
大電壓、短時間→（靜電敏感器件）小尺寸，噴射，飛弧，表層變形。
下層擊穿，表層變形→用光學顯微鏡觀察顏色變化，電鏡無效；
擊穿發生在表層，面積小，用電鏡觀察，光學顯微鏡無效；
靜電放電臺放電試驗，對比試驗樣品所發生的位置，和擊穿點的形貌特征，以進一步分辨失效樣品是靜電擊穿還是脈沖（浪涌）電壓擊穿。
靜電擊穿的失效特征
電弧注入的電荷/電流產生以下損壞和故障：
?穿透元器件內部薄的絕緣層，損毀MOSFET和CMOS元器件的柵極，常見；
?CMOS器件中的觸發器鎖死，常見；
?反偏的PN結短路，也就是PN結反向擊穿，常見；
?正向偏置的PN結短路，較少見；
?熔化有源器件內部的連接（鍵合）線或鋁（金屬化）線，較少發生。
? ESD會通過各種各樣的耦合途徑找到設備的薄弱點!
ESD損傷途徑
整機裝配工藝中， 補焊烙鐵接地線開路， 烙鐵帶電，引起芯片擊 穿失效。
案例6 手工焊接過程中的靜電損傷案例
微波器件： 靜電極敏感器件， 對環境的靜電要求高。
案例7 SMT工藝過程中的ESD損傷
3.4 焊接工藝評價
目的：評估現行裝工藝是否存在焊接工藝質量隱患。
時機：新產品導入
新型器件應用（POP封裝器件）
現有工藝發現較多的工藝缺陷
新型焊料、助焊劑等應用
可靠性試驗等重要試驗之前
客戶要求
焊接工藝評價方法
焊接工藝性能評價主要項目
1 金相切片分析
2 染色滲透試驗（BGA器件）
3 焊點強度試驗
4 X射線檢測
5 聲學掃描分析（塑封器件熱損傷評估）
6 外觀檢查
7 離子濃度測試，離子清潔度測試
焊點金相分析
焊點金相分析
1.51μm
2.60μm
方法與步驟
•取樣(整體或局部)
•溶劑清洗（去除殘留物）
•染色（染色液＋低壓）
•干燥（保持染色區域）
•垂直分離器件與PCB
•檢查與紀錄（顯微鏡）
原理 通過將樣品置于染色液中，讓染色液滲透到有裂紋或孔洞的地方。垂直剝離已經焊上的元器件，其引線腳與焊盤將從有裂紋或孔洞等薄弱界面分離，元器件分離后被染紅的焊點界面將指示該處在強行剝離前存在缺陷，即焊點不良部位被檢測到。 用途
?檢測失效焊點的分布
?檢測裂紋存在的界面
染色滲透試驗
BGA
PCB
染色滲透試驗結果
目的： 未*填滿的通孔 BGA焊點缺陷
X-射線檢查
聲學掃描分析---塑封器件MSD評估
焊接后進行，要注意返修工藝的影響
焊點強度試驗和分析方法－焊點推力試驗
推刀速度：0.5mm～9mm/min
案例分析：不同電容工藝性研究
四種不同的電容元件焊點強度比較
參考JIS Z3198標準，對片式電容元件，以水平方向以9mm/min速率進行推剪力測試，直至元器件與焊盤脫離，記錄推剪力，在立體顯微鏡下觀察并記錄斷裂模式。
背景：無鉛BGA，錫鉛焊料合金，不同的焊接溫度。 目的：尋找*的焊接溫度。
案例一 BGA混裝焊接工藝優化分析
案例一 BGA混裝焊接工藝優化分析
方法：金相切片
掃描電子顯微鏡（IMC厚度測量）
案例二 FPC軟板焊接參數優化分析
總體情況：FPC軟板焊接，ENIG表面處理方式；
工藝參數：峰值溫度：240℃，熔點以上時間：40s，
現狀：焊點強度較差，易脫落。
初步評價：焊接參數沒有任何問題，曲線設置為錫膏供應商提供的標準曲線。
問題：焊接工藝能否進一步優化？
以產品為出發點的焊接工藝優化試驗
雙因數：
因數A：焊接溫度
因數B：焊接時間
焊接時間：20秒 40秒 70秒
焊接溫度：230℃ 240℃ 250℃