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电子产品在组装过程及客户使用期间PCBA工艺可靠性热点问题
  2024-06-21      122

原创:郭宏飞 上海正泰智能科技有限公司

一.引言

众所周知,电子产品可靠性主要是由PCBA可靠性决定的,而PCBA可靠性是由焊点可靠性、元器件可靠性、PCB可靠性共同决定的。其中在组装过程中最复杂工程就是软钎焊接所形成焊点的全过程,在整个电子产品组装工艺过程中,软钎焊的权重可达60%以上,它对电子产品的整体质量和可靠性有着特殊的意义。特别是引入无铅钎料后,由于无铅钎料湿润差、熔点高及高密度面阵列封装器件如uBGA(微型BGA)、CSP(芯片级封装)、FCOB(印刷电路板基倒装芯片)及小型元器件如01005、0201等大量运用,对元器件及PCB耐焊接热性能要求越来越高及工艺窗口变窄,引起软钎焊接工艺可靠性热点问题越来越多。所谓可靠性热点问题就是造成焊接质量不良、缺陷和软钎焊接可靠性大、小概率事件的起因、机理及对策所涉及的技术问题。因此软钎焊接的可靠性是影响电子产品可靠性关键因素,软钎焊接的可靠性工程问题主要表现在两方面:

1)电子产品在组装过程中发生的不良/缺陷;

2)电子产品在客户使用期间发生的故障/问题。

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二.电子产品在组装过程中发生的不良/缺陷

1.虚焊现象

1.1 虚焊和冷焊相似性

在电子产品焊接过程中,长期以来虚焊、冷焊现象一直是焊点可靠性最突出的问题,特别是高密度组装,小型元器件焊接、无铅焊接中此现象更为突出虚焊现象成因复杂,影响面广,隐蔽性大,因此造成的损失也大。为此,虚焊问题一直是电子行业关注焦点。而冷焊则是密间距≤0.5mmμBGA(微型BGA、CSP(芯片级封装)、小型贴片元件回流焊接中的一种高发性缺陷。冷焊与虚焊造成的质量后果表现形式相似,但形成机理却不一样,不仔细分析及通过细微图像甄别,就很难将虚焊和冷焊区分开来。因此准确地辨别虚焊和冷焊的相似性与差异性,对电子产品装联过程中的质量控制非常重要。

虚焊和冷焊的相似性表现在以下三个方面:

1)冷焊和虚焊所造成的焊点失效都具有界面失效的特征,即焊点的电气接触不良或微裂纹发生在焊盘、端子、引脚、焊球和焊料相接触的界面上;

2)在焊接界面(包括元器件端或PCB焊盘端),冷焊和虚焊均未形成焊缝界面金属间化合物(简称IMC),如图1所示明显的出虚焊,无IMC生成;


3)产生效果危害相,即都存在电气接触不良电气信号传输不稳定、连接强度几乎不存在等危害

1.2 虚焊现象

1.2.1 定义和特征

1)定义:在焊接参数(温度、时间)全部正常的情况下,焊接完成之后在连接界面上未形成IMC层或者未形成合适厚度(<0.5um)IMC层的现象为虚焊,在软钎焊接有时候也称为不湿润见,虚焊是一种典型的界面失效模式

2)特征:将虚焊焊点撕裂开在基体金属和焊料之间几乎没有相互渗透残留物,分界面平整、无金属光泽,切片呈现为不湿润、无IMC生成、有明显间隙的迹象,如图2所示元器件端焊接虚焊;如图3所示虚焊焊盘分离后,焊盘上几乎无残留物。

1.2.2 虚焊现象发生机理

发生虚焊本质原因是焊盘或元器件可焊性不佳、助焊剂活性不强无法及时清除金属表面氧化物及污染物。常见有以下几种原因:

1) PCB焊盘可焊性差

PCB可焊性差可被认为是由于焊盘氧化有机物污染焊盘、表面金属合金化。例如电镀工艺Ni/Au表面涂层存在磷、针孔、铜焊盘氧化42合金在引脚端暴露氧化、OSP涂层太厚导致助焊剂耗损过多、PCBNi/Au表面处理时,电镀Au过程中金层被有机物污染,在焊接过程中金层不熔解、PCBNi/Au表面处理时,电镀镍过程中所导致“黑盘”现象引发焊盘虚焊等这些都是PCB不润湿的原因如图4所示PCB焊盘有机物污染或者被氧化;如图5所示PCB焊盘污染或黑现象引起虚焊

2) 元器件引脚、端子、焊球等基体金属表面可焊性不佳

元器件引脚、端子、焊球等基体金属表面可焊性不佳、可焊性劣化、共面度不佳。如元器件由于包装、运输、存储、传递、上线管理不善等工序导致氧化、硫化、污染(油脂、汗液等)而丧失可焊性、可焊性劣化,如图6所示元器件引脚可焊性不佳引起元器件端虚焊;

       3) 基体金属保护涂层与助焊剂不匹配或助焊剂选择不当

元器件端子、引脚或PCB焊盘的可焊性保护层种类不断刷新。新的镀层必须要与现有焊膏或助焊剂性能上匹配,否则会引发不湿润而导致虚焊。如Zn镀层就要用活性特别强的助焊剂来焊接,因为Zn特别容易氧化,需要强活性的助焊剂去清除Zn表面氧化物。

4) 助焊剂活性太弱

助焊剂除去氧化物的能力与其活性的强弱有极大的关系, 所以要让助焊剂活性发挥到最佳,清除更多的氧化物,如表1所示助焊剂除去氧化物能力。

表1助焊剂除去氧化物能力

5) 锡膏或助焊剂活性与再流焊接温度曲线不匹配

在焊接时使助焊剂活性发挥至最佳性能,必须在保温区/浸润区控制合适的时间,否则会导致助焊剂烤干或活性下降而引发虚焊,不同助焊剂在保温区/浸润区时间不同,如图7所示不同助焊剂在保温区/浸润区时间

6可焊性保护层太薄

以HASL涂层为例,当经受不妥当的多次加热后,使IMC层(Cu6Sn5)生长引起纯钎料保护层不断被消耗而变薄甚至表面合金化,导致半润湿或反润湿而引起虚焊现象,如图8所示。

7)不适当的再流温度曲线及焊接气氛

再流焊接的预热温度、预热时间、焊接峰值温度及再流焊接气氛对润湿性能影响很大。一方面,如果加热时间太短或者温度太低,将导致助焊剂反应不完全引起润湿不良;另一方面,焊料熔化之前过量的热量不但使焊盘和引脚的金属过度氧化,而且会消耗更多的助焊剂,也会导致润湿不良。采用氮气再流焊接,将对润湿产生显著改善。

8)焊膏少印甚至漏印

焊膏量少则总的助焊剂也少,因而去除氧化物的能力也就比较差。如果元器件引脚的可焊性不好,就可能导致虚焊。

9)芯吸效应引起焊盘少锡

如果PCB很厚,热容量大,温度明显低于元器件引脚,焊膏熔化后会先沿引脚上爬,导致焊盘少锡,可能引起虚焊

1.2.3 虚焊现象改善措施

1)提高元器件和PCB焊盘的可焊性预防劣化;

2)消除基底金属的杂质和出气源

3)提高印刷质量,减小少漏或漏印概率;

4)采用惰性或还原性再流气体

5)使用合适的再流焊接温度曲线

6)锡膏或助焊剂活性与再流焊接温度曲线匹配。

2 冷焊现象

2.1定义和特征

1)定义:在焊接中钎料与基体金属之间没有达到最低要求的润湿温度,虽然局部发生了润湿,但冶金反应不完全而导致的现象称为冷焊;

2)特征:焊接连接呈现出润湿不良及灰色多孔外观(这是由于焊料杂质过多、焊接前清洁不充分、焊接过程中加热不足造成)。焊点表面粗糙且疏松,有时会在与PCB连接的界面处出现钎料收缩的现象。有些冷焊现象在接合界面上没有形成IMC层,且这种界面往往还伴裂缝或缝隙;

2.2 现象发生机理

冷焊发生的原因主要是焊接时热量供给不足或者焊接时间不足,焊接温度未达到钎料的润湿温度,导致钎料未熔化或熔化不彻底,因而接合界面上没有形成IMCIMC过薄界面上还存在微裂缝、缝隙。产生冷焊的原因包括:

1)再流时峰值温度不足。随着BGA器件的广泛应用,如果需要实现焊球与焊料的融合,需要比熔点更高的温度。如果接温度低于焊料熔点加20℃的值,就可能形成表面颗粒化、形状不规则的冷焊形貌焊点,如图9所示各种冷焊不良形貌焊点;

2) 再流时预热时间过长。预热过长导致助焊剂烤干,引起助焊剂活性不足;

3)助焊能力不足。如微焊盘上的焊膏量少,其总的助焊能力不足。这种情况下将会导致焊点表面不熔锡现象,即位于焊点表面的锡粉因严重氧化没有与焊点内部熔融焊料完全融合,呈现葡萄球现象

4) 不良的焊粉质量(过度氧化)或焊粉含氧量过高;

5)焊端氧化严重过度消耗助焊剂也会导致冷焊。

2.3 冷焊焊点的判据

对于所有冷焊焊点,特别是μBGA、CSP、CBGA等大热容量的元器件更容易发生冷焊现象,冷焊焊点具有个最典型的特征,这些特征通常可以作为冷焊焊点的判定依据。

1)再流焊接中IMC层生长发育不完全

2)焊点表面橘皮状、颗粒状、灰暗、不光滑、粗糙,和坍塌高度不足;

3)断裂面呈疏松、蜂窝状。

2.4 冷焊现象解决措施

1)使用活性比较强的助焊剂;

2)增加焊膏量

3)定期对再流焊接炉传送系统进行保养,降低再流焊接时的扰动风险

4)确保焊接峰值温度和液态以上时间符合工艺要求;一般峰值温度超过焊料温度15~30℃左右,且保证焊接时间在40s以上;

5)优化焊接温度曲线,确保保温区的时间不宜过长;

6)对于微焊盘焊接,尽可能加大焊膏量或换用活性较强焊膏缩短预热时间采用氮气气氛减小贴片压力减小摊大面积

7)不使用回温后超期的焊膏。

3  葡萄球效应

3.1 定义与特征

1)定义:葡萄球效应实际上就是广义的冷焊现象,特指焊接时温度足够、热量充分所形成的不光滑焊点,外表在光学显微镜下看起来像一颗颗小葡萄聚合在一起,锡粉熔化锡粉表面的氧化层不能被有效除去,受氧化膜的包围,无法融合成一个整体,冷却后呈颗粒状;

2)特征:与冷焊现象特征相似,都是焊点表面颗粒状、灰暗、不光滑、粗糙;如图10所示三类不同封装焊点葡萄球效应;

3.2 形成机理

葡萄球效应本质原因是助焊剂活性不足、活性减弱、失去活性,助焊剂无法完全清除锡粉合金氧化膜,使锡粉合金无法融合一个整体而呈现颗粒状,主要原因以下几方面:

1)锡膏运输、存储、管理、使用等不当造成

① 锡膏回收添加、溶剂污染。

体现在印刷工艺上,如钢网上刮刀两侧溢出锡膏长时间不回收,助焊接挥发过度,引起助焊剂活性减弱,再次回收利用时导致葡萄球效应;

② 控制锡膏存储寿命、未开封回温寿命、开封后使用寿命、钢网上有效刮印寿命、印刷后有效暴露寿命;控制车间印刷环境,管控车间温度25~28℃、相对湿度40%RH~60%RH

2)锡膏本身质量问题

①锡粉氧化率过高(含氧量超标)

锡粉含氧量超标,既要清除焊接面氧化层,又要被锡粉氧化层损耗,助焊剂活性被内外耗损,导致助焊剂无法完全清除锡粉氧化膜,引起葡萄球效应;

②锡膏中助焊剂沸点偏低,助焊剂过度烤干,引起助焊剂活性减弱或失去;

③锡粉中助焊剂含量不足或助焊剂活性不足;

3)受扰焊点

受扰焊点是焊点冷却期间受到外力作用产生晃动,此时助焊剂已失去作用,无法在清除焊点表面氧化层,也不能降低液态焊锡的表面张力,受晃动焊点在振动过程中褶皱,冷却后焊点表面发暗、不光滑,也属于葡萄球效应范畴;

4)温度曲线与锡膏匹配性不佳

每一款锡膏都应该在对应锡膏推荐温度曲线上优化工艺窗口,锡膏助焊剂在保温区或浸润区或恒温区不可过长,存在锡膏助焊剂过度挥发的风险,导致助焊剂活性减弱,引起葡萄球效应;

5) PCB焊盘与元器件端子质量问题

OSP膜过厚、焊盘氧化严重等需要助焊剂清除过量氧化层或过厚OSP膜,导致助焊剂耗损过度,引起葡萄球效应);

6) 锡膏印刷问题

印刷锡膏量过少,导致助焊剂不足;

3.3 葡萄球效应改善措施

1)控制锡膏本身质量与锡膏管理;

2)控制PCB焊盘、元器件端子质量与包装存储问题;

3)优化温度曲线,使之与锡膏匹配;

4)焊点在冷却期间,控制外力作用产生晃动。

4. 枕头效应(枕窝效应)

4.1 定义与特征

1)定义:就是在焊接过程中BGA焊料球与锡膏没有完全熔合在一起,成为部分熔合挤压的凹形或成为没有扩散的假接触凸形,形状就像两个互相挤压的枕头,所以称之为“枕头效应”。

2)特征:上部的锡球与下部焊锡之间存在一个隔离带,此隔离带为氧化膜或污染膜,隔离带阻挡了同为液体的锡球与锡膏之间融合,就像两个一大一小装水的气球互相挤压成为典型的枕头效应也称枕窝现象;如图11所示典型的枕头效应。

4.2形成机理

枕头效应属于虚焊的范围,是BGA常见失效模式,也是BGA特有的失效模式,不可拦截与不可杜绝,属于间歇性不良或不稳定性不良,令业界同仁防不胜防。其本质与葡萄球效应相似,都是锡膏中助焊剂活性不足、活性减弱、助焊剂耗损过度,导致无法及时清除锡膏与锡球之间氧化膜或污染膜,无法让锡膏和锡球完全融合成一个整体,其常见影响因素有以下几点:

1) 锡膏因素

助焊剂沸点太低、锡膏污染氧化严重、锡膏含氧量过高、助焊剂活性不足、助焊剂残留物过多;

2) 工艺因素

 Reflow温度曲线设置不合理,预热时间过长,导致助焊接失去活性或者活性减弱,其树脂残留物在熔融的焊锡表面产生一层阻焊膜;

② 温度曲线设置与锡膏特性不匹配,预热区设置过长,助焊剂耗损过度;

钢网开口太小或锡膏印刷少锡、塞孔;

锡膏印刷缺损、贴偏偏移量过大,无法保证焊球与锡膏良好接触;

3BGA器件或者PCB焊盘质量因素

PCB焊盘氧化严重、BGA锡球氧化污染严重、BGAPCB回流期间受热变形过大;

4) 设计因素

BGA焊球与PCB焊盘设计不匹配、BGA焊球与PCB焊盘误差过大、PCB焊盘设计有盘中孔,导致锡膏流失;

5) 制程与管控因素

锡膏存储管理、锡膏使用管理、锡膏二次回收、生产管理存在盲区导致锡膏活性减弱。

4.4 采取对策

1)控制锡膏本身质量、锡膏存储管理、锡膏使用管理、锡膏二次回收管理;

2)控制BGA器件或者PCB焊盘质量,防止氧化及焊接形变;

3)Reflow温度曲线设置与锡膏匹配,预防过度预热;

4)控制工艺方面引发的因素,如钢网开口、锡膏印刷、贴偏偏移等;

5)控制设计因素,如BGA焊球与PCB焊盘设计匹配、BGA焊球与PCB焊盘误差性。

5  空洞与气泡现象

5.1 定义与特征

1)定义:指由于融熔焊点截留助焊剂挥发物在冷却时凝固器件没有足够的时间及时排出去而形成的气泡称为空洞;

2)特征:空洞是业界普遍关心话题,Chip类及有延伸脚器件的焊点空洞业界没有标准,此类焊点空洞不易产生且容易控制,质量上管控来源于客户的要求,业界无统一的标准。BTC器件由于焊点在底部空洞不易逃逸,更加容易产生空洞,所有BTC器件(如BGAQFNLGACSP)空洞标准依据IPC-7095。一般要求空洞大小控制在焊点面积30%以内,如是可靠性产品则要求更高。如图12所示三类不同封装焊点空洞。

5.2 空洞危害

一般情况下,空洞面积不超标且不在IMC附近的空洞对焊点可靠性影响不大,在IMC附近空洞危害减少有效焊接面积,影响焊点的机械性能、强度和延展性,对蠕变和疲劳寿命产生影响,降低焊点的可靠性,多个空洞结合在一起形成的裂纹会造成焊点的开裂失效。对于大的空洞还有可能推挤焊锡,造成焊点桥接。空洞引起焊点开裂/可靠性下降如图13所示。

5.3 形成机理

空洞主要是助焊剂清除氧化生产盐和水、助焊剂有机物在焊接高温时裂解产生气体、助焊剂中溶剂蒸发、PCB及元器件受潮等引起,空洞产生原因如下:

1) 锡膏助焊剂本身固有特性

在相同PCB及器件状况下,有些锡膏容易产生空洞,有些锡膏表现出优秀控制焊点气泡特性,如有些助焊剂沸点相对较低。

2) 锡膏回温不足导致的空洞;

3) 锡膏活性失效导致空洞

受热及助焊剂耗损会导致锡膏活性失效,进一步导致焊锡熔化时无法有效降低液态焊锡表面张力,容易将气体包裹在焊点内形成气泡;

4) 钢板厚度及开孔尺寸导致空洞

一般情况,钢板愈厚,焊膏就多,助焊剂含量较多,清除氧化物速度更快,更加容易逸出气泡。在相同钢板厚度条件下,开孔越大越不利于气泡逸出;

5) 温度曲线设置对空洞影响

设置合理的温度曲线,特别是恒温区保持助焊剂最佳活性以清除氧化膜并降低液态焊锡的表面张力,以此增加气泡逃逸时间;

6) 盘中孔(Via in pad)对空洞影响

高温焊接时,焊锡覆盖在Via上,Via内部空气难以逃逸而形成空洞,如图14所示Via形成的空洞;

7)三成员(引脚、焊锡、PCB焊盘)吸水、氧化而形成空洞,如图15所示氧化及吸水而形成空洞;

① 吸水引起空洞

水在加热时汽化,在焊点内形成很大的气泡,甚至能使相邻的锡球由于焊锡溢出而短路

② 焊盘或端子氧化引起空洞

由于氧化严重使得助焊剂清除更多氧化物反应,形成更多的气泡;氧化完全清除需要时间,润湿速度较慢,不利气泡外排;由于拒焊而形成气泡集中及更大气泡

8) PCB通孔质量对空洞影响(如铜厚不足、PTH孔壁破孔),如图16所示PTH的破孔而形成空洞;

PCB通孔品质直接影响焊接时空洞的产生,PCB吸湿钻孔时刀具对孔壁的撕扯。理想的孔壁光滑、厚度均匀,而品质的孔壁则弯弯曲曲,局部孔壁镀铜厚度偏薄甚至存在断裂的风险。IPC-6012中规定通孔及盲埋孔的孔铜厚度最小值二级标准>18um,三级标准>20um当孔壁粗糙弯曲导致局部镀铜偏薄时,高温焊接过程中PCB被加热后内部湿气通过薄弱处逸出到通孔内,形成空洞。PCB制程质量引起空洞如下:

PCB电镀液残留;

PCB 压合不良,内部存留液体或者异物;

③ PCB铜箔蚀刻过度,铜箔凹蚀处藏液或异物;

表面处理层防氧化不到位或氧化严重,导致焊接时候空洞较多,焊锡熔化时与助焊剂反应产生水蒸发成气体助长气泡;

OSP板膜厚超标,高温裂解时生成气体助长焊点气泡,如图17所示;

 化学沉银板焊接之后再IMC区域产生微空洞

⑦ 盘中盲孔及盘中通孔树脂塞孔不良,如图18所示盘中通孔树脂塞孔不良导致空洞;

9)波峰焊工艺对空洞影响

波峰焊助焊剂对空洞的影响

波峰焊除了助焊剂清除氧化层时生成气体贡献气泡外,助焊剂本身含有一定的水,喷涂进入通孔中的水汽化同样有助于气泡形成。助焊剂成分中部分材料高温裂解形成气泡

波峰焊预热对空洞的影响

波峰焊助焊剂过度预热会将助焊剂烤干,失去活性,导致焊接时失效引起空洞。预热温度不足,大量助焊剂保留在PCB接触锡波时挥发,化后的助焊剂不能及时逃离逸出,被包裹进入焊点形成气泡

锡炉焊锡成份及杂质对空洞的影响

③ 焊锡合金成分的变化直接影响焊锡熔点及流动性。流动性变差的液态焊锡不利于焊锡填孔,形成空洞;

10)器件stand-off对空洞的影响

PCBA焊接时,PCB内湿气逃逸、助焊剂溶剂挥发及助焊剂去除焊接端面氧化物时生成的水汽逸出均需有通道,避免被裹挟进入焊点形成气泡。这是产品设计者可制造性设计内容之一。IPC-A-610内明确规范,器件本体堵塞电镀通孔为设计缺陷。器件本体一旦堵塞焊接通孔,热气体上升逃逸通路封闭后气体膨胀,形成焊点空洞,导致锡填充高度不足,严重者形成吹孔,如图19所示。

5.4 空洞与气泡改善对策:

1)提高元器件/基板的可焊性,减少元器件/基板吸潮;

2)选用合适的锡膏和助焊剂;

3)减少焊粉氧化物。

4)使用惰性加热气体。

5)采用最小的元器件覆盖面积,如设计合适钢网开口

6)在焊接时分开熔融焊点。对于尺寸比较大焊盘,分开熔融的焊点简单的方就是分割焊盘,如阻焊分割、铜箔分割。从排气效果讲,铜箔分割具有明显效果

7)增加预热时间以促进溶剂挥发

8)在峰值温度时使用适宜的时间

9)提高PCB制程质量及PTH制作质量;

10)采取空洞排气通道,如器件stand-off

参考文献:

《工艺不良与组装可靠性》贾忠中 著 电子工业出版社

《现代电子装联工艺可靠性》樊融融 著 电子工业出版社

《产品失效机理及预防对策》薛广辉 著

《电子组装工艺可靠性》王文利 著 电子工业出版社

作者简介:

郭宏飞 现任职于正泰低压智能电器研究院。从事电子行业20年,精通PCBA失效分析、PCBA工艺可靠性、PCBA可靠性设计。熟悉从印刷电路板、电子元器件封装、焊接材料、焊接工艺、DFM到PCBA电子装联的每一道工序的全流程制程,具有较丰富的电子组装工艺经验,善于分析实际生产中电子组装过程及客户使用期间PCBA工艺可靠性热点问题,提出有效的解决方案。

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