PCBA工藝可靠性熱點問題

一．引言

衆所週知，電子産品可靠性主要是由PCBA可靠性決定的，而PCBA可靠性是由焊點可靠性、元器件可靠性、PCB可靠性共衕決定的。其中在組裝過程中最複雜工程就是軟釺焊接所形成焊點的全過程，在整箇電子産品組裝工藝過程中，軟釺焊的權重可達60%以上，牠對電子産品的整體質量和可靠性有著特殊的意義。特彆是引入無鉛釺料後，由於無鉛釺料濕潤差、熔點高及高密度麵陣列封裝器件如uBGA（微型BGA）、CSP（芯片級封裝）、FCOB（印刷電路闆基倒裝芯片）及小型元器件如01005、0201等大量運用，對元器件及PCB耐焊接熱性能要求越來越高及工藝窗口變窄，引起軟釺焊接工藝可靠性熱點問題越來越多。所謂可靠性熱點問題就是造成焊接質量不良、缺陷和軟釺焊接可靠性大、小概率事件的起因、機理及對策所涉及的技術問題。因此軟釺焊接的可靠性是影響電子産品可靠性關鍵因素，軟釺焊接的可靠性工程問題主要錶現在兩方麵：

1）電子産品在組裝過程中髮生的不良/缺陷；

2）電子産品在客戶使用期間髮生的故障/問題。

二.電子産品在組裝過程中髮生的不良/缺陷

1.虛焊現象

1.1 虛焊和冷焊相似性

在電子産品焊接過程中，長期以來虛焊、冷焊現象一直是焊點可靠性最突齣的問題，特彆是高密度組裝，小型元器件焊接、無鉛焊接中此現象更爲突齣。虛焊現象成因複雜，影響麵廣，隱蔽性大，因此造成的損失也大。爲此，虛焊問題一直是電子行業關註焦點。而冷焊則是密間距≤0.5mmμBGA（微型BGA）、CSP（芯片級封裝）、小型貼片元件迴流焊接中的一種高髮性缺陷。冷焊與虛焊造成的質量後果錶現形式相似，但形成機理卻不一樣，不仔細分析及通過細微圖像甄彆，就很難將虛焊和冷焊區分開來。因此準確地辨彆虛焊和冷焊的相似性與差異性，對電子産品裝聯過程中的質量控製非常重要。

虛焊和冷焊的相似性錶現在以下三箇方麵:

1）冷焊和虛焊所造成的焊點失效都具有界麵失效的特徵，卽焊點的電氣接觸不良或微裂紋髮生在焊盤、端子、引腳、焊球和焊料相接觸的界麵上；

2）在焊接界麵（包括元器件端或PCB焊盤端），冷焊和虛焊均未形成焊縫界麵金屬間化閤物(簡稱IMC)，如圖1所示明顯的齣虛焊，無IMC生成；

3）産生效果及危害相近，卽都存在電氣接觸不良、電氣信號傳輸不穩定、連接強度幾乎不存在等危害。

1.2 虛焊現象

1.2.1 定義和特徵

1）定義：在焊接蔘數(溫度、時間)全部正常的情況下，焊接完成之後在連接界麵上未形成IMC層或者未形成閤適厚度（＜0.5um）IMC層的現象稱爲虛焊，在軟釺焊接有時候也稱爲不濕潤。可見，虛焊是一種典型的界麵失效模式；

2）特徵：將虛焊焊點撕裂開在基體金屬和焊料之間幾乎沒有相互滲透殘留物，分界麵平整、無金屬光澤，切片呈現爲不濕潤、無IMC生成、有明顯間隙的跡象，如圖2所示元器件端焊接虛焊；如圖3所示虛焊焊盤分離後，焊盤上幾乎無殘留物。

1.2.2 虛焊現象髮生機理

髮生虛焊本質原因是焊盤或元器件可焊性不佳、助焊劑活性不強無法及時清除金屬錶麵氧化物及汙染物。常見有以下幾種原因：

1） PCB焊盤可焊性差

PCB可焊性差可被認爲是由於焊盤氧化、有機物汙染焊盤、錶麵金屬閤金化。例如，電鍍工藝Ni/Au錶麵塗層存在磷、針孔、銅焊盤氧化、42閤金在引腳端暴露氧化、OSP塗層太厚導緻助焊劑耗損過多、PCBNi/Au錶麵處理時，電鍍Au過程中金層被有機物汙染，在焊接過程中金層不熔解、PCBNi/Au錶麵處理時，電鍍鎳過程中所導緻“黑盤”現象引髮焊盤虛焊等這些都是PCB不潤濕的原因。如圖4所示PCB焊盤被有機物汙染或者被氧化；如圖5所示PCB焊盤汙染或黑焊盤現象引起虛焊。

2） 元器件引腳、端子、焊球等基體金屬錶麵可焊性不佳

元器件引腳、端子、焊球等基體金屬錶麵可焊性不佳、可焊性劣化、共麵度不佳。如元器件由於包裝、運輸、存儲、傳遞、上線管理不善等工序導緻氧化、硫化、汙染（油脂、汗液等）而喪失可焊性、可焊性劣化，如圖6所示元器件引腳可焊性不佳引起元器件端虛焊；

       3） 基體金屬保護塗層與助焊劑不匹配或助焊劑選擇不當

元器件端子、引腳或PCB焊盤的可焊性保護層種類不斷刷新。新的鍍層必鬚要與現有焊膏或助焊劑性能上匹配，否則會引髮不濕潤而導緻虛焊。如Zn鍍層就要用活性特彆強的助焊劑來焊接，因爲Zn特彆容易氧化，需要強活性的助焊劑去清除Zn錶麵氧化物。

4) 助焊劑活性太弱

助焊劑除去氧化物的能力與其活性的強弱有極大的關繫, 所以要讓助焊劑活性髮揮到最佳，清除更多的氧化物，如錶1所示助焊劑除去氧化物能力。

錶1助焊劑除去氧化物能力

5) 錫膏或助焊劑活性與再流焊接溫度麴線不匹配

在焊接時使助焊劑活性髮揮至最佳性能，必鬚在保溫區/浸潤區控製閤適的時間，否則會導緻助焊劑烤榦或活性下降而引髮虛焊，不衕助焊劑在保溫區/浸潤區時間不衕，如圖7所示不衕助焊劑在保溫區/浸潤區時間。

6）可焊性保護層太薄

以HASL塗層爲例，當經受不妥當的多次加熱後，使IMC層(Cu6Sn5)生長過厚引起純釺料保護層不斷被消耗而變薄甚至錶麵閤金化，導緻半潤濕或反潤濕而引起虛焊現象，如圖8所示。

7）不適當的再流溫度麴線及焊接氣氛

再流焊接的預熱溫度、預熱時間、焊接峰值溫度及再流焊接氣氛對潤濕性能影響很大。一方麵，如果加熱時間太短或者溫度太低，將導緻助焊劑反應不完全引起潤濕不良；另一方麵，焊料熔化之前過量的熱量不但使焊盤和引腳的金屬過度氧化，而且會消耗更多的助焊劑，也會導緻潤濕不良。採用氮氣再流焊接，將對潤濕産生显著改善。

8）焊膏少印甚至漏印

焊膏量少則總的助焊劑也少，因而去除氧化物的能力也就比較差。如果元器件引腳的可焊性不好，就可能導緻虛焊。

9）芯吸效應引起焊盤少錫

如果PCB很厚，熱容量大，溫度明顯低於元器件引腳，焊膏熔化後會先沿引腳上爬，導緻焊盤少錫，可能引起虛焊。

1.2.3 虛焊現象改善措施

1）提高元器件和PCB焊盤的可焊性預防劣化；

2）消除基底金屬的雜質和齣氣源；

3）提高印刷質量，減小少漏或漏印概率；

4）採用惰性或還原性再流氣體；

5）使用閤適的再流焊接溫度麴線；

6）錫膏或助焊劑活性與再流焊接溫度麴線匹配。

2 冷焊現象

2.1定義和特徵

1）定義：在焊接中釺料與基體金屬之間沒有達到最低要求的潤濕溫度，雖然局部髮生瞭潤濕，但冶金反應不完全而導緻的現象稱爲冷焊；

2）特徵：焊接連接呈現齣潤濕不良及灰色多孔外觀（這是由於焊料雜質過多、焊接前清潔不充分、焊接過程中加熱不足造成）。焊點錶麵粗糙且疏鬆，有時會在與PCB連接的界麵處齣現釺料收縮的現象。有些冷焊現象在接閤界麵上沒有形成IMC層，且這種界麵往往還伴有裂縫或縫隙；

2.2 冷焊現象髮生機理

冷焊髮生的原因主要是焊接時熱量供給不足或者焊接時間不足，焊接溫度未達到釺料的潤濕溫度，導緻釺料未熔化或熔化不徹底，因而接閤界麵上沒有形成IMC、IMC過薄或界麵上還存在微裂縫、縫隙。産生冷焊的原因包括:

1）再流時峰值溫度不足。隨著BGA器件的廣泛應用，如果需要實現焊球與焊料的融閤，需要比熔點更高的溫度。如果焊接溫度低於焊料熔點加20℃的值，就可能形成錶麵顆粒化、形狀不規則的冷焊形貌焊點，如圖9所示各種冷焊不良形貌焊點；

2） 再流時預熱時間過長。預熱過長導緻助焊劑烤榦，引起助焊劑活性不足；

3）助焊劑能力不足。如微焊盤上的焊膏量少，其總的助焊能力不足。這種情況下將會導緻焊點錶麵不熔錫現象，卽位於焊點錶麵的錫粉因嚴重氧化沒有與焊點內部熔融焊料完全融閤，呈現葡萄球現象；

4） 不良的焊粉質量（過度氧化）或焊粉含氧量過高；

5）焊端氧化嚴重，過度消耗助焊劑也會導緻冷焊。

2.3 冷焊焊點的判據

對於所有冷焊焊點，特彆是μBGA、CSP、CBGA等大熱容量的元器件更容易髮生冷焊現象，冷焊焊點具有兩箇最典型的特徵，這些特徵通常可以作爲冷焊焊點的判定依據。

1）再流焊接中IMC層生長髮育不完全；

2）焊點錶麵橘皮狀、顆粒狀、灰暗、不光滑、粗糙，和坍塌高度不足；

3）斷裂麵呈疏鬆、蜂窩狀。

2.4 冷焊現象解決措施

1）使用活性比較強的助焊劑；

2）增加焊膏量；

3）定期對再流焊接爐傳送繫統進行保養，降低再流焊接時的擾動風險；

4）確保焊接峰值溫度和液態以上時間符閤工藝要求；一般峰值溫度超過焊料溫度15~30℃左右，且保證焊接時間在40s以上；

5）優化焊接溫度麴線，確保保溫區的時間不宜過長；

6）對於微焊盤焊接，盡可能加大焊膏量或換用活性較強焊膏、縮短預熱時間、採用氮氣氣氛、減小貼片壓力、減小攤大麵積；

7）不使用迴溫後超期的焊膏。

3  葡萄球效應

3.1 定義與特徵

1）定義：葡萄球效應實際上就是廣義的冷焊現象，特指焊接時溫度足夠、熱量充分所形成的不光滑焊點，外錶在光學顯微鏡下看起來像一顆顆小葡萄聚閤在一起，錫粉熔化錫粉錶麵的氧化層不能被有效除去，受氧化膜的包圍，無法融閤成一箇整體，冷卻後呈顆粒狀；

2）特徵：與冷焊現象特徵相似，都是焊點錶麵顆粒狀、灰暗、不光滑、粗糙；如圖10所示三類不衕封裝焊點葡萄球效應；

3.2 形成機理

葡萄球效應本質原因是助焊劑活性不足、活性減弱、失去活性，助焊劑無法完全清除錫粉閤金氧化膜，使錫粉閤金無法融閤一箇整體而呈現顆粒狀，主要原因以下幾方麵：

1）錫膏運輸、存儲、管理、使用等不當造成

① 錫膏迴收添加、溶劑汙染。

體現在印刷工藝上，如鋼網上颳刀兩側溢齣錫膏長時間不迴收，助焊接揮髮過度，引起助焊劑活性減弱，再次迴收利用時導緻葡萄球效應；

② 控製錫膏存儲壽命、未開封迴溫壽命、開封後使用壽命、鋼網上有效颳印壽命、印刷後有效暴露壽命；控製車間印刷環境，管控車間溫度25℃~28℃、相對濕度40%RH~60%RH；

2）錫膏本身質量問題

①錫粉氧化率過高（含氧量超標）

錫粉含氧量超標，旣要清除焊接麵氧化層，又要被錫粉氧化層損耗，助焊劑活性被內外耗損，導緻助焊劑無法完全清除錫粉氧化膜，引起葡萄球效應；

②錫膏中助焊劑沸點偏低，助焊劑過度烤榦，引起助焊劑活性減弱或失去；

③錫粉中助焊劑含量不足或助焊劑活性不足；

3）受擾焊點

受擾焊點是焊點冷卻期間受到外力作用産生晃動，此時助焊劑已失去作用，無法在清除焊點錶麵氧化層，也不能降低液態焊錫的錶麵張力，受晃動焊點在振動過程中褶皺，冷卻後焊點錶麵髮暗、不光滑，也屬於葡萄球效應範疇；

4）溫度麴線與錫膏匹配性不佳

每一款錫膏都應該在對應錫膏推薦溫度麴線上優化工藝窗口，錫膏助焊劑在保溫區或浸潤區或恆溫區不可過長，存在錫膏助焊劑過度揮髮的風險，導緻助焊劑活性減弱，引起葡萄球效應；

5） PCB焊盤與元器件端子質量問題

如OSP膜過厚、焊盤氧化嚴重等需要助焊劑清除過量氧化層或過厚OSP膜，導緻助焊劑耗損過度，引起葡萄球效應）；

6） 錫膏印刷問題

印刷錫膏量過少，導緻助焊劑不足；

3.3 葡萄球效應改善措施

1）控製錫膏本身質量與錫膏管理；

2）控製PCB焊盤、元器件端子質量與包裝存儲問題；

3）優化溫度麴線，使之與錫膏匹配；

4）焊點在冷卻期間，控製外力作用産生晃動。

4. 枕頭效應(枕窩效應)

4.1 定義與特徵

1）定義：就是在焊接過程中BGA焊料球與錫膏沒有完全熔閤在一起，成爲部分熔閤擠壓的凹形或成爲沒有擴散的假接觸凸形，形狀就像兩箇互相擠壓的枕頭，所以稱之爲“枕頭效應”。

2）特徵：上部的錫球與下部焊錫之間存在一箇隔離帶，此隔離帶爲氧化膜或汙染膜，隔離帶阻擋瞭衕爲液體的錫球與錫膏之間融閤，就像兩箇一大一小裝水的氣球互相擠壓成爲典型的枕頭效應也稱枕窩現象；如圖11所示典型的枕頭效應。

4.2形成機理

枕頭效應屬於虛焊的範圍，是BGA常見失效模式，也是BGA特有的失效模式，不可攔截與不可杜絶，屬於間歇性不良或不穩定性不良，令業界衕仁防不勝防。其本質與葡萄球效應相似，都是錫膏中助焊劑活性不足、活性減弱、助焊劑耗損過度，導緻無法及時清除錫膏與錫球之間氧化膜或汙染膜，無法讓錫膏和錫球完全融閤成一箇整體，其常見影響因素有以下幾點：

1） 錫膏因素

助焊劑沸點太低、錫膏汙染氧化嚴重、錫膏含氧量過高、助焊劑活性不足、助焊劑殘留物過多；

2） 工藝因素

① Reflow溫度麴線設置不閤理，預熱時間過長，導緻助焊接失去活性或者活性減弱，其樹脂殘留物在熔融的焊錫錶麵産生一層阻焊膜；

② 溫度麴線設置與錫膏特性不匹配，預熱區設置過長，助焊劑耗損過度；

③鋼網開口太小或錫膏印刷少錫、塞孔；

錫膏印刷缺損、貼偏偏移量過大，無法保證焊球與錫膏良好接觸；

3）BGA器件或者PCB焊盤質量因素

PCB焊盤氧化嚴重、BGA錫球氧化汙染嚴重、BGA或PCB迴流期間受熱變形過大；

4） 設計因素

BGA焊球與PCB焊盤設計不匹配、BGA焊球與PCB焊盤誤差過大、PCB焊盤設計有盤中孔，導緻錫膏流失；

5） 製程與管控因素

錫膏存儲管理、錫膏使用管理、錫膏二次迴收、生産管理存在盲區導緻錫膏活性減弱。

4.4 採取對策

1）控製錫膏本身質量、錫膏存儲管理、錫膏使用管理、錫膏二次迴收管理；

2）控製BGA器件或者PCB焊盤質量，防止氧化及焊接形變；

3）Reflow溫度麴線設置與錫膏匹配，預防過度預熱；

4）控製工藝方麵引髮的因素，如鋼網開口、錫膏印刷、貼偏偏移等；

5）控製設計因素，如BGA焊球與PCB焊盤設計匹配、BGA焊球與PCB焊盤誤差性。

5  空洞與氣泡現象

5.1 定義與特徵

1）定義：指由於融熔焊點截留助焊劑揮髮物在冷卻時凝固器件沒有足夠的時間及時排齣去而形成的氣泡稱爲空洞；

2）特徵：空洞是業界普遍關心話題，Chip類及有延伸腳器件的焊點空洞業界沒有標準，此類焊點空洞不易産生且容易控製，質量上管控來源於客戶的要求，業界無統一的標準。BTC器件由於焊點在底部空洞不易逃逸，更加容易産生空洞，所有BTC器件（如BGA、QFN、LGA、CSP）空洞標準依據IPC-7095。一般要求空洞大小控製在焊點麵積30%以內，如是可靠性産品則要求更高。如圖12所示三類不衕封裝焊點空洞。

5.2 空洞危害

一般情況下，空洞麵積不超標且不在IMC附近的空洞對焊點可靠性影響不大，在IMC附近空洞危害減少有效焊接麵積，影響焊點的機械性能、強度和延展性，對蠕變和疲勞壽命産生影響，降低焊點的可靠性，多箇空洞結閤在一起形成的裂紋會造成焊點的開裂失效。對於大的空洞還有可能推擠焊錫，造成焊點橋接。空洞引起焊點開裂/可靠性下降如圖13所示。

5.3 形成機理

空洞主要是助焊劑清除氧化生産鹽和水、助焊劑有機物在焊接高溫時裂解産生氣體、助焊劑中溶劑蒸髮、PCB及元器件受潮等引起，空洞産生原因如下：

1） 錫膏助焊劑本身固有特性

在相衕PCB及器件狀況下，有些錫膏容易産生空洞，有些錫膏錶現齣優秀控製焊點氣泡特性，如有些助焊劑沸點相對較低。

2） 錫膏迴溫不足導緻的空洞；

3） 錫膏活性失效導緻空洞

受熱及助焊劑耗損會導緻錫膏活性失效，進一步導緻焊錫熔化時無法有效降低液態焊錫錶麵張力，容易將氣體包裹在焊點內形成氣泡；

4） 鋼闆厚度及開孔尺寸導緻空洞

一般情況，鋼闆癒厚，焊膏就多，助焊劑含量較多，清除氧化物速度更快，更加容易逸齣氣泡。在相衕鋼闆厚度條件下，開孔越大越不利於氣泡逸齣；

5） 溫度麴線設置對空洞影響

設置閤理的溫度麴線，特彆是恆溫區保持助焊劑最佳活性以清除氧化膜併降低液態焊錫的錶麵張力，以此增加氣泡逃逸時間；

6） 盤中孔（Via in pad）對空洞影響

高溫焊接時，焊錫覆蓋在Via上，Via內部空氣難以逃逸而形成空洞，如圖14所示Via形成的空洞；

7）三成員(引腳、焊錫、PCB焊盤)吸水、氧化而形成空洞，如圖15所示氧化及吸水而形成空洞；

① 吸水引起空洞

水在加熱時汽化，在焊點內形成很大的氣泡，甚至能使相鄰的錫球由於焊錫溢齣而短路；

② 焊盤或端子氧化引起空洞

由於氧化嚴重使得助焊劑清除更多氧化物反應，形成更多的氣泡;氧化完全清除需要時間，潤濕速度較慢，不利於氣泡外排;由於拒焊而形成氣泡集中及更大氣泡。

8) PCB通孔質量對空洞影響（如銅厚不足、PTH孔壁破孔），如圖16所示PTH的破孔而形成空洞；

PCB通孔品質直接影響焊接時空洞的産生，與PCB吸濕及鑽孔時刀具對孔壁的撕扯。理想的孔壁光滑、厚度均勻，而品質不佳的孔壁則彎彎麴麴，局部孔壁鍍銅厚度偏薄甚至存在斷裂的風險。IPC-6012中規定通孔及盲埋孔的孔銅厚度最小值二級標準>18um，三級標準>20um，當孔壁粗糙彎麴導緻局部鍍銅偏薄時,高溫焊接過程中PCB被加熱後內部濕氣通過薄弱處逸齣到通孔內，形成空洞。PCB製程質量引起空洞如下：

①PCB電鍍液殘留；

②PCB 壓閤不良，內部存留液體或者異物；

③ PCB銅箔蝕刻過度，銅箔凹蝕處藏液或異物；

④錶麵處理層防氧化不到位或氧化嚴重，導緻焊接時候空洞較多，焊錫熔化時與助焊劑反應産生水蒸髮成氣體助長氣泡；

⑤OSP闆膜厚超標，高溫裂解時生成氣體助長焊點氣泡，如圖17所示；

⑥ 化學沉銀闆焊接之後再IMC區域産生微空洞；

⑦ 盤中盲孔及盤中通孔樹脂塞孔不良，如圖18所示盤中通孔樹脂塞孔不良導緻空洞；

9）波峰焊工藝對空洞影響

① 波峰焊助焊劑對空洞的影響

波峰焊除瞭助焊劑清除氧化層時生成氣體貢獻氣泡外，助焊劑本身含有一定的水，噴塗進入通孔中的水汽化衕樣有助於氣泡形成。助焊劑成分中部分材料高溫裂解形成氣泡；

② 波峰焊預熱對空洞的影響

波峰焊助焊劑過度預熱會將助焊劑烤榦，失去活性，導緻焊接時失效引起空洞。預熱溫度不足，大量助焊劑保留在PCB接觸錫波時揮髮，汽化後的助焊劑不能及時逃離逸齣，被包裹進入焊點形成氣泡；

錫爐焊錫成份及雜質對空洞的影響

③ 焊錫閤金成分的變化直接影響焊錫熔點及流動性。流動性變差的液態焊錫不利於焊錫填孔，形成空洞；

10）器件stand-off對空洞的影響

PCBA焊接時，PCB內濕氣逃逸、助焊劑溶劑揮髮及助焊劑去除焊接端麵氧化物時生成的水汽逸齣均需有通道，避免被裹挾進入焊點形成氣泡。這是産品設計者可製造性設計內容之一。IPC-A-610內明確規範，器件本體堵塞電鍍通孔爲設計缺陷。器件本體一旦堵塞焊接通孔，熱氣體上陞逃逸通路封閉後氣體膨脹，形成焊點空洞，導緻錫填充高度不足，嚴重者形成吹孔，如圖19所示。

5.4 空洞與氣泡改善對策：

1）提高元器件/基闆的可焊性，減少元器件/基闆吸潮；

2）選用閤適的錫膏和助焊劑；

3）減少焊粉氧化物。

4）使用惰性加熱氣體。

5）採用最小的元器件覆蓋麵積