第三章电子组件焊接工艺分析及案例研究

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第三章电子组件焊接工艺分析及案例研究

1.焊接工艺原理
2.电子组件典型焊接过程分析
3.焊接工艺难点讨论
4.典型焊接失效案例讨论
形成良好焊点的关键是:在焊接界面良好润湿,并形成合适的金属间化合物。
3.1焊接工艺原理

无铅／锡铅焊料被加热到熔点以上，焊接金属表面在助焊剂的活化作用下，对金属表面的氧化层和污染物起到清洗作用，同时使金属表面获得足够的激活能。熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润、发生扩散、冶金结合，在焊料和被焊接金属表面之间生成金属间结合层，冷却后使焊料凝固，形成焊点。
焊接的本质是焊料和被焊材料之间形成有效的金属连接。
焊接过程描述
关键因素：焊料／助焊剂／被焊金属材料／温度*时间
焊接核心过程分析-润湿
润湿的定义：熔化的焊料在准备焊接的母材（PCB焊盘或引脚表面）进行充分的漫流和扩散的过程。润湿的条件：
清洁的表面
合适的焊接温度
助焊剂的保护
合适的焊接材料
杨氏方程润湿是焊接的首要条件！
润湿是焊接的首要条件！

焊点的Z佳润湿角15~45°
当θ=0°时，完全润湿；当θ=180°时，完全不润湿。
润湿的不同状态
金属原子以结晶排列，原子间作用力平衡，保持晶格的形状和稳定。
当金属与金属接触时，界面上晶格紊乱导致部分原子从一个晶格点阵移动到另一个晶格点阵。
扩散条件：相互距离（金属表面清洁，无氧化层和其它杂质，两块金属原子间才会发生引力）温度（在一定温度下金属分子才具有动能）
焊接过程分解--扩散
四种扩散形式：表面扩散；晶内扩散；晶界扩散；选择扩散。

（3）合金化－冶金结合，形成结合层良好焊接工艺典型焊点切片照片

混合组装良好焊点照片
合金界面
焊料内部
合金厚度对焊点可靠性的影响不能忽略
混合组装良好焊点照片
IMC过厚易导致焊点开裂

3.2电子组件典型焊接过程分析
回流焊接过程分析
波峰焊接过程分析
手工焊接过程分析
1）表面贴装工艺总体要求2）回流焊接工艺曲线3）回流焊接的几个难点分析4）回流焊接失效案例分析
3.2.1回流焊接过程分析
1）锡膏印刷----体积合适、锡膏使用规范2）贴片工艺----贴片压力、贴片精度3）回流焊接---温度曲线设置合理4）测试工艺---防止不恰当的测试5）在组装过程中要求防止静电或潮湿敏感损伤
表面贴装工艺总体要求
涉及要求：
可制造性设计（焊盘设计、钢网设计，工艺线路选择）
工艺参数控制（锡膏印刷，贴片，回流曲线）
组装过程（环境，人员）
测试手段
典型产品回流曲线设置考虑要素
1组装密度热容量考虑(总量,分布)
2焊接材料---焊料合金类型和助焊剂类型
3PCB、器件耐温能力（Zgao温度）
4焊接设备（加热方式，加热效率）
5复杂器件的影响

目前流行的温度曲线分析（一）
④峰值温度
熔点
⑥冷却速度
②预热温度
①升温速度
③预热时间
时间
⑤加热时间
零件耐热临界温度领域Sn-3Ag-0.5CuSn-8Zi-3Bi①升温速度3℃/s以下3℃/s以下②预热温度140～160℃130～150℃③预热时间50～100s30～60s④峰值温度焊剂熔点+10～20℃230～245℃210～220℃⑤加热时间(熔点以上)这是一种能够对整块基板进行均匀加热的时间时间太长会灼伤电子零件20～60℃20～60s⑥冷却速度3～6℃/s3～6℃/s速度太慢会造成立碑、缩孔速度太快会产生裂纹条　　　件速度太快会造成焊剂激剧沸腾、产生裂纹这种温度使焊剂迅速活化，能够清除氧化膜，且利用峰值温度迅速实现均热。温度过高会引起焊料氧化这是一种能够均匀预热基板的时间时间太长会引起焊料氧化影响到润湿性、润湿上升形状、焊点形成、界面组织(→接合强度、可靠性)
温度
目前流行的回流曲线分析（二）
回流缺陷：大的空洞/冷焊-----工艺控制不良
回流焊接工艺缺陷分析
典型缺陷：焊点冷焊

焊接助焊剂残留导致电化学迁移
波峰焊接技术要点
①助焊剂均匀喷涂
②温度曲线合理（预热和峰值温度）
波峰焊接工艺过程分析

注：没有一条适用于任何组装条件的温度曲线
预热温度110-150oC
传送速度：0.7-1.2m/min
锡炉温度：255-270oC
冷却速度：3~8℃/S
传输角度：5～7
波峰焊接温度曲线
波峰焊接工艺缺陷分析
缺陷：焊点填充不足-----工艺优化

波峰焊接预热不足导致吹孔
PCBA样品在波峰焊接后插件焊点存在空洞。PCB烘板或波峰前进行回流焊接处理能够改善空洞情况。
金相分析

未烘烤
烘烤后
烘烤前后进行模拟波峰焊接1）上锡良好2）未烘烤存在空洞3）烘烤后不存在空洞
模拟焊接试验
1样品描述：波峰焊接后，片式电容元件波峰焊后不上锡，片式元件一端端头无爬锡和PCB焊盘上锡量很少。
波峰焊接漏锡缺陷-阴影效应

外观、金相分析
PCB焊盘和器件端子处均没有焊料。
综合分析
对样品的外观分析表明，元件焊接不良的部位具有相同的方向，即具有方向性，在波峰焊接中由于锡波的方向及速度的不同，易引起阴影效应，造成同一方向的上锡不良。金相切片分析表明，所有焊接不良元件的一端焊接良好，可见明显的金属间化物，而元件另一端和对应的PCB焊盘同时上锡不良。综上所述，造成元件焊接不良的原因为波峰焊接过程中助焊剂涂敷不均匀不到位及波峰焊接的阴影效应。

焊接材料（助焊剂）残留导致的漏电，腐蚀
BGA，POP封装器件的枕头效应
波峰焊接桥连失效
波峰焊接填充高度不够
焊接装配过程机械过应力失效
静电敏感器件ESD失效
塑封集成电路潮湿敏感损伤
PCB的爆板，分层
3.3影响电子组件工艺质量的难点分析
3.3.1焊接残留导致的PCBA漏电，腐蚀
助焊剂的作用：去除母材和焊料上的氧化物热过程中防止母材和焊料再度氧化降低钎焊料表面张力，促进扩散和润湿；传递热量；助焊剂要求：活化温度要比焊料的熔点低表面张力，粘度和比重都要比焊料小生成的残渣要容易去除对母材及焊料无腐蚀性不产生毒气和臭味助焊剂的危害残留导致的漏电、腐蚀（离子残留难以发现）

腐蚀性、兼容性问题电化学迁移等问题突出。
3.3.1焊接残留导致的PCBA漏电，迁移失效
案例1助焊剂导致的直接腐蚀

离子漏电的验证方法
1）潮热试验前后绝缘特性对比2）清洗前后的绝缘特性分析3）离子色谱分析4）离子清洁度测试属于直接证据较难获得的失效类型，取决于焊接材料选择和工艺工艺设置
电迁移是在直流电压的影响下发生的离子运动，导致电失效。
电化学迁移

在潮湿条件下，金属离子会在阳极形成，并向阴极迁移，形成树枝状晶体，当树枝状晶体连接两种导体时造成短路，而且树枝晶体内的电流骤增二发生熔断。
电化学迁移在PCB表面的形成可能是助焊剂的残留或其他残留的污染所致。
电化学迁移机理
阳极
阴极
电化学迁移时的反应

离子的溶解度
离子的迁移率（温度和扩散系数）
PH值对溶解度的影响（污染物盐的溶解度取决于PH值）
离子的反应性
温度（溶解度、迁移率、活性）
湿度（Z关键的因素）

影响电化学迁移的因素
常见金属的电化学迁移能力比较(快)Ag>Cu>Pb>Sn-Pb>Sn>Au（慢）

PCBA样品表面的测试焊盘中出现不同程度的电迁移（ECM）现象，且电迁移现象均发生在沉银焊盘偏移开槽部位的阻焊涂覆层表面
出现ECM的失效部位
电迁移失效案例1-银离子迁移
测试盘与阻焊坝（SolderMaskDam）均有较大偏移，且焊盘有不同程度的发黄或变暗形象
2外观检查
EDS分析，枝状物中主要含有银（Ag）及少量的铜（Cu）金属元素，另外存在有较高含量的碳（C）及少量的氧（O）、硫（S）、溴（Br）、氯（Cl）元素
3SEM分析
3SEM分析
对大铜箔面上的阻焊膜（SolderMask）进行SEM观察，发现：焊盘附近的阻焊膜表面上有白色残留，且阻焊膜上有较多颗粒装物质。EDS分析发现白色残留物和阻焊膜表面成分元素中均含有较高含量的碳（C）、氧（O）、硫（S）及少量的溴（Br）元素。前者还含有较高的铜（Cu）元素，后者含有较高的锡（Sn）元素。
3SEM分析-阻焊膜
在SEM&EDS分析的基础上对PCBA进行阴离子浓度测试，检测结果发现：所检样品中含有较高的硝酸根离子（NO3－）、磷酸根离子（PO43－）、硫酸根离子（SO42-）以及溴（Br-）等阴离子。
4PCBA离子浓度分析
测试焊盘铜箔层与阻焊坝之间偏移大，且阻焊膜有突沿现象，突沿出来的阻焊膜与底层基材有明显的缝隙。缝隙容易积存溶液、潮气等，为银离子的迁移营造了潮湿或酸性的环境
5金相分析
样品中含有较高的硝酸根离子（NO3－）、磷酸根离子（PO43－）、硫酸根离子（SO42-）以及溴（Br-）等阴离子,这些阴离子与潮湿（水）共同作用，形成电解液，镀银电极在电解液的作用下发生电解，变为银离子，银离子在电极之间的电场作用下向负电极迁移，银离子迁移过程中还原变为银单质，因此在两电极之间逐步形成银导电通道而引起两电极之间发生漏电或短路。另方面，阻焊膜与PCB之间的毛细管效应引起其界面之间引入周边的水及有害离子（或原来残存于界面中），有阻焊膜偏位，缩短了阻焊膜的有效覆盖范围，加速了电极之间的水、有害离子形成，使银迁移机理更易产生。阻焊膜（SolderMask）的白色残留物以及阻焊膜本身均含有较高的硫（S）等元素极可能与PCB工艺中清洗不干净有关，造成硫酸等的残留；阻焊膜中金属元素的残留与阻焊膜工艺有关。
6综合分析
样品失效表现为在大铜箔与测试焊盘间发生明显的银离子（Ag＋）迁移。
银离子迁移的原因是过多的阴离子或卤化物的残留、水、电场的作用造成的。
阻焊坝与焊盘间有严重的偏位，阻焊膜有明显的突沿以及阻焊膜与基材间的缝隙极易造成水汽、溶液等残留，当清洗未到位时，极易给银离子的迁移营造有利的环境
7分析结论
SIR测试2.6.3.3测试样品要求测试样品采用IPC-B-24梳型电路基材采用FR4环氧玻璃样品数量：Z少3块/每种，若要评估非清洗状态则要6块。是否需要清洗根据助焊剂的活性等级确定。注：目前基本采用的免清洗助焊剂不需要进行清洗，则样品要9块。

测试程序
1清洗测试样品（去离子水或蒸馏水，50℃，2h烘干）
2施加助焊剂（漂、浸）
3过245℃波峰焊接（锡膏采用印刷锡膏和回流焊接的形式）
4样品清洗
5潮热试验（40℃90%RH，168小时，25V/mm电压）
6绝缘电阻测试
单股聚四氟乙烯导线，松香性助焊剂焊接；
测试周期小于20min
1M的限流电阻
7Z终检测
30X-40X
有无枝晶生长，变色，表面金属迁移
SIR测试2.6.3.3
免清洗样品试验后外观检查3块向上3块向下（需要经过波峰焊接）电阻要连续检测

3.3.2BGA器件的枕头效应
枕头效应（Pillow-Head-Effect):
BGA类器件独有的失效形式
3.3.2BGA器件的枕头效应（二）
枕头效应（Pillow-Head-Effect)产生机理1）芯片翘曲变形2）温度不同步4）锡膏抗氧化能力5）锡球氧化、污染3）贴片精度

案例2贴片偏位引起的BGA枕头效应
信息：委托单位反应BGA存在焊接失效
X-ray分析：
BGA焊点存在明显的异常，主要为存在明显的枕头效应。
所有焊点基本呈现一样的特征
X-射线分析
金相分析：结果和X-ray一致。
金相切片分析
SEM分析
SEM&EDS分析焊球和焊料之间存在明显的有机物；有机物的成分和助焊剂残留物一致；锡膏和PCB焊盘之间润湿良好。
EDS检测
1）焊点存在明显的偏位
2）焊料对焊盘润湿良好
3）焊料和焊球表面存在助焊剂残留
显然，器件贴装偏位是主要的原因。

背景：PCBA样品指定BGA器件(见图1红色箭头所示)焊点存在焊接失效现象，要求对焊接失效原因进行分析
1）异常焊点分布在器件的位置随机2）异常焊点主要表现为针头型失效
案例3锡球氧化、污染引起的BGA枕头效应
重要信息：
1）为混合组装工艺（锡铅焊料+无铅BGA）
2）锡铅焊料和PCB焊盘润湿良好
3）锡铅焊料和无铅锡铅充分接触
4）锡铅焊料和无铅锡球之间存在明显的不融合
5）无铅锡球基本没有锡铅焊料

1）正常焊点锡铅焊料和BGA锡球融合良好2）焊料和PCB焊盘之间的合金IMC正常
金相分析
1）锡球表面存在很高的碳元素推断:存在污染的可能BGA器件来料质量分析

1）虚焊焊点随机分布+所有虚焊点中，焊料和BGA焊球均充分接触推断：板变形或器件变形导致焊球和焊料分离的可能性没有2）所有焊点中锡铅焊料和PCB焊盘之间均形成了良好的IMC推断:由于焊接工艺温度控制不当导致虚焊的可能性排除由于PCB焊盘可焊性导致虚焊的可能性排除4）失效点中锡铅焊料和无铅锡球未发生扩散推断:导致的原因可能为1）BGA锡球氧化或者污染2）锡膏氧化或者污染由于只在部分焊点上存在失效，且其它器件均正常，故排除锡膏的问题。结论：导致BGA焊接失效的原因为BGA锡球存在污染或者氧化Z终导致焊点虚焊失效。
综合分析及结论
案例4POP封装失效案例分析
三星和高通POP器件

（1）所检顶部封装焊料球的高度约为0.3mm，球间距为0.4mm；底部封装焊料球的高度约为0.15mm。
（2）底部封装2在测试过程中翘曲变形很大，碰到了光栅（光栅到样品的距离大约为0.3mm），测试结果仅供参考（红色字体标出）。
热变形分析
热变形分析封装变形量-400-300-200-1000100200300255010012515018020022024526024522020018015012510050温度/℃变形量/μm顶部封装底部封装1底部封装2
热变形分析
POP器件各组成部分的热变形太大是导致失效的主要原因

3.3.3装配过程中的过应力开裂失效
电子组件在焊接、运输、使用等条件下，通常会由于热机械变形，机械弯曲，机械振动和冲击等，从而在焊点或者器件上产生机械应力，并Z终导致焊点或者器件失效。焊点的机械失效模型通常用强度应力干涉模型来表示。
过应力开裂的特征：
1）应力集中位置首先失效
2）一般伴随基材开裂
3）BGA器件较其他器件易失效
装配过程中的过应力开裂失效特征

焊点过应力开裂是导致组件失效的主要原因
案例5散热器安装导致焊点开裂失效
3.3.4制造过程中静电敏感器件损伤
静电(Electrostatic，staticelectricity):
静电就是静止不动的电荷。它一般存在于物体的表面。是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。
静电是通过电子或离子转移而形成的。静电可由物质的接触和分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生。
静电放电（ElectrostaticDischarge，ESD）:
处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移就是静电放电。这种转移的方式有多种，如接触放电、空气放电。
一般来说，静电只有在发生静电放电时，才会对元器件造成伤害和损伤。如人体带电时只有接触金属物体、或与他人握手时才会有电击的感觉。

大电压、短时间→（静电敏感器件）小尺寸，喷射，飞弧，表层变形。
下层击穿，表层变形→用光学显微镜观察颜色变化，电镜无效；
击穿发生在表层，面积小，用电镜观察，光学显微镜无效；
静电放电台放电试验，对比试验样品所发生的位置，和击穿点的形貌特征，以进一步分辨失效样品是静电击穿还是脉冲（浪涌）电压击穿。
静电击穿的失效特征
电弧注入的电荷/电流产生以下损坏和故障：
穿透元器件内部薄的绝缘层，损毁MOSFET和CMOS元器件的栅极，常见；
CMOS器件中的触发器锁死，常见；
反偏的PN结短路，也就是PN结反向击穿，常见；
正向偏置的PN结短路，较少见；
熔化有源器件内部的连接（键合）线或铝（金属化）线，较少发生。
ESD会通过各种各样的耦合途径找到设备的薄弱点!
ESD损伤途径

整机装配工艺中，补焊烙铁接地线开路，烙铁带电，引起芯片击穿失效。
案例6手工焊接过程中的静电损伤案例
微波器件：静电极敏感器件，对环境的静电要求高。
案例7SMT工艺过程中的ESD损伤

3.4焊接工艺评价
目的：评估现行装工艺是否存在焊接工艺质量隐患。
时机：新产品导入
新型器件应用（POP封装器件）
现有工艺发现较多的工艺缺陷
新型焊料、助焊剂等应用
可靠性试验等重要试验之前
客户要求
焊接工艺评价方法
焊接工艺性能评价主要项目
1金相切片分析
2染色渗透试验（BGA器件）
3焊点强度试验
4X射线检测
5声学扫描分析（塑封器件热损伤评估）
6外观检查
7离子浓度测试，离子清洁度测试

焊点金相分析
焊点金相分析
1.51μm
2.60μm
方法与步骤
取样(整体或局部)
溶剂清洗（去除残留物）
染色（染色液＋低压）
干燥（保持染色区域）
垂直分离器件与PCB
检查与纪录（显微镜）
原理通过将样品置于染色液中，让染色液渗透到有裂纹或孔洞的地方。垂直剥离已经焊上的元器件，其引线脚与焊盘将从有裂纹或孔洞等薄弱界面分离，元器件分离后被染红的焊点界面将指示该处在强行剥离前存在缺陷，即焊点不良部位被检测到。用途
检测失效焊点的分布
检测裂纹存在的界面
染色渗透试验
BGA
PCB
染色渗透试验结果

目的：未完全填满的通孔BGA焊点缺陷
X-射线检查
声学扫描分析---塑封器件MSD评估
焊接后进行，要注意返修工艺的影响

焊点强度试验和分析方法－焊点推力试验
推刀速度：0.5mm～9mm/min
案例分析：不同电容工艺性研究
四种不同的电容元件焊点强度比较
参考JISZ3198标准，对片式电容元件，以水平方向以9mm/min速率进行推剪力测试，直至元器件与焊盘脱离，记录推剪力，在立体显微镜下观察并记录断裂模式。

背景：无铅BGA，锡铅焊料合金，不同的焊接温度。目的：寻找Z佳的焊接温度。
案例一BGA混装焊接工艺优化分析

案例一BGA混装焊接工艺优化分析
方法：金相切片
扫描电子显微镜（IMC厚度测量）
案例二FPC软板焊接参数优化分析
总体情况：FPC软板焊接，ENIG表面处理方式；
工艺参数：峰值温度：240℃，熔点以上时间：40s，
现状：焊点强度较差，易脱落。
初步评价：焊接参数没有任何问题，曲线设置为锡膏供应商提供的标准曲线。
问题：焊接工艺能否进一步优化？
以产品为出发点的焊接工艺优化试验
双因数：
因数A：焊接温度
因数B：焊接时间

焊接时间：20秒40秒70秒
焊接温度：230℃240℃250℃

仪器网-专业分析仪器服务平台,实验室仪器设备交易网,仪器行业专业网络宣传媒体。

2004-09-04

第三章 电子组件焊接工艺分析及案例研究

第三章电子组件焊接工艺分析及案例研究