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

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。

二．电子产品在组装过程中发生的不良/缺陷

01

葡萄球效应

1.1 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；

1.2 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

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，助焊剂挥发过度，引起助焊剂活性减弱，再次回收利用时导致葡萄球效应；

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

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；

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；

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；

PCB焊盘与元器件端子质量问题

如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）；

锡膏印刷问题

印刷锡膏量过少，导致助焊剂不足；

1.3 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。

02

枕头效应(枕窝效应)

2.1 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。

2.2 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：

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；

工艺因素

Reflow温度曲线设置不合理，预热时间过长，导致助焊剂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；

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。

3）BGA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、BGA或PCB回流期间受热变形过大；

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；

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。

2.3 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。

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。