电子产品装联过程可靠性热点问题（三）

金脆效应

定义与特征

定义：

钎料中Au的含量超过3%或在金属界面处形成AuSn4，导致焊点金脆化或机械强度下降现象称为“金脆效应”。

特征：

电子行业软钎焊接中，Au是抗氧化性很强金属及钎料对它有很好的润性。所以Au成为最常用的表面镀层金属之一。但作为焊料里的杂质，金对钎料的延展性是非常有害的。由于回流焊接时间很短，几秒内即完成，所以Au不能在焊料中均匀地扩散，这样会在局部或IMC附近形成高浓度层AuSn4，这层的机械性能最低；

Au在焊接后光泽变差，颜色发白，从表面看很像冷焊或虚焊。在光亮镀Au 时会在镀层界面产生由聚积物引起裂纹；

Au表面镀层的焊料中会形成脆性的Sn-Au金属间化合物（主要是 AuSn4）。虽然低浓度的AuSn4能提高含锡焊料的机械性能（拉伸、剪切强度、延伸率），但当金在焊点中的含量超过3wt%时或Sn-Au金属间化合物（主要是AuSn4）堆积在IMC附近，都会使机械性能迅速下降。如图所示IMC附近AuSn4引起脆性断裂。

焊点中Au形成“金脆效应”条件

1）在焊接过程中，Au溶解到焊料中，在凝固时析出AuSn4并均匀地分布在焊点中，BGA、CSP等在再流焊接的焊点中，Au的浓度通常都不会超过1wt%，故这些焊点通常不会变脆；

2）焊点机械性能随着Au含量增加而增加，当如果Au的浓度在焊点中到达3wt%处达到峰值，此后焊点机械性能逐渐减弱，并在6wt%处急剧降低，故通常认为Au的浓度应限制在3wt%为宜；

3）含有Au的焊点老化\烘烤之后，析出的AuSn4颗粒会从焊料内部向钎料和Cu间的界面运动，由于金属化合物中Au和Sn的比为1/4，故少量的Au也会在界面处析出较厚的AuSn4层，此时Au浓度只要超过0.1wt%就有可能在界面处AuSn4层引起脆性断裂。如图所示焊点老化后主要断裂区域示意图、如图所示焊点老化后在界面处由于迁移析出AuSn4层。

形成机理

1）在镀层为金的金属基材焊接过程中，由于Au回流焊接时间很短，几秒内即完成，Au不能在焊料中均匀地扩散，在局部或IMC附近形成高浓度层AuSn4，引起金脆效应；

2）Au层厚度过厚，引起焊点中Au的浓度在焊点中到达3wt%及以上，引起金脆效应；

3）含有Au的焊点老化\烘烤之后，在焊点中析出的AuSn4颗粒会从焊料内部向钎料和Cu间的界面运动，界面处析出较厚的AuSn4层，引起脆性断裂。

采取措施

1）在含有Au镀层焊点回流过程中，提高焊接温度，使Au均匀分布在焊点中，避免在局部或IMC附近形成高浓度层AuSn4；

2）控制Au层厚度，减少焊接后金在焊点中的浓度；

3）控制含有Au镀层产品使用环境，避免长期使用在高温环境中引起AuSn4从焊料内部向钎料和Cu间的界面运动，引发脆性断裂。

芯吸效应（灯芯效应）

定义与特征

1）定义：

PCBA焊接时熔化的焊锡沿着器件引脚向上爬升(像酒精沿着灯芯向上爬升)，PCB焊盘上焊锡大量被抽走，呈现焊盘上焊锡量不足的现象称谓“灯芯效应”，如图所示典型灯芯效应后形成焊点；如图所示焊接之后外形观察芯吸现象；

2）特征：

PCBA焊接机理中，焊锡固有特性是“焊锡总是从低温流向高温”，焊接时如果器件引脚的温度高，液态焊锡会沿着引脚向上爬升润湿元器件引脚，就像是煤油灯里的煤油沿着灯芯往上抽，严重者焊锡接触到元器件塑封本体。

灯芯效应的形成一般在延伸脚器件上居多（如鸥翼型封装、J型封装、L型封装），形貌特征是大部分的焊料沿着引脚向上芯吸，在焊盘上只留下少量焊料，形成了饥饿焊点或开路焊点。假如没有形成饥饿焊点或开路焊点且焊锡没有接触到焊锡本体，此现象可以接受的，如图所示芯吸效应形成过程。

形成机理

形成芯吸效应直接的推动力是在引脚和印制板之间温度的差异、引脚的可焊性与PCB焊盘可焊性差异引起熔融焊料的湿润力差异。常见的原因有：

再流时引脚的较小热容量，其温度常常高于印制板引起芯吸；

再流时元器件引脚可焊性明显比PCB焊盘可焊性佳引起芯吸，假如形成饥饿焊点或开路焊点，被引脚的不良共面性进一步恶化；

使用快速润湿速率的助焊剂或使用容易润湿的焊料合金也会促进芯吸效应的发生；

使用了耐热性高的助焊剂及时间长的温度-时间曲线场合中。

表现在熔融的焊料向上湿润到引脚的上部。

灯芯效应危害

1）灯芯效应引起密间距元器件短路或焊盘少锡开路；

2）元器件形成饥饿焊点，引起焊接面积减少，导致焊接强度减弱；

3）焊锡爬升导致鸥翼脚上部弯折区失去弹性，降低了引脚吸收机械应力、热应力的能力，三级产品外观检验判定为不接受；

4）连接器灯芯效应，焊锡穿过连接器本体进入接插装配区，影响装配接触性能，判定为不允收；

5）灯芯效应焊锡通过引脚与本体结合处不紧密处通过毛细作用进入器件内部引起器件功能失效。

采取措施

1)工艺和设计方面

温度曲线优化。PCB焊盘可焊性较差而器件端子可焊性佳时，注意炉温曲线恒温区需具备一定时间，让助焊剂有充分时间清除PCB焊盘氧化层，避免焊锡熔化时助焊剂仍未能将PCB焊盘表面氧化层清除出现灯芯效应；

避免PCB温度与器件本体温度落差过大

使用较慢的加热速率，避免使用气相再流方法；

使用底部加热，少使用顶部加热；

提高元器件引脚的共面性；

遮盖导通孔；

手工焊接出现灯芯效应时注意焊接驻留时间及烙铁温度设定值不可过高；

2）材料方面

器件端子镀层处理采用分段方案，预防焊锡爬升过度；

选用端子、本体一体成型注塑方案，确保塑料本体与端子的紧密接合；

使用较小塌陷趋势的焊膏，用较高黏度的焊膏；

使用较慢润湿速率的助焊剂；

使用较高活化温度的助焊剂；

使用延时熔化的焊膏，如非共晶合金焊料的焊膏。

锡珠现象

定义与特征

1）定义：

指在再流焊接过程中形成的一或多个较大球状或不规则的锡球，一般指大的锡球称之为锡珠现象；

2）特征：

锡珠一般位于片式元件两侧或底部，再流焊接产生的锡珠是通过助焊剂残留物牢固粘在PCBA上，只有用水或溶剂清洗才能将其清除掉。测试或运输振动过程不会导致锡珠移动，因此不用担心其可靠性。锡珠成为缺陷主要是出于对外观的考虑，对于采用清洗工艺的生产线和非密间距产品来说，锡珠不是严重缺陷，如图所示片式元件形成锡珠；

锡珠的存在主要影响产品最小电路安全间隙，有时直接导致短路，而随着产品的细密化快速推进，最小安全间隙0.13mm已经不合适，如智能手机上器件间最小间隙已经到0.10mm，对于密间距的产品锡珠控制问题成为必须面对的课题。对于密间距的产品使用的锡膏锡粉颗粒更加细微，其锡粉含氧量更高，焊接时形成锡珠的机率增加。相对密间距PCBA业者而言，控制锡珠更是雪上加霜。

锡珠形成机理

锡珠产生与特定封装有关，如低间隙（Low stand-off）片式元器件居多。主要形成机理是元器件底部不润湿面处有多余的焊料存在，在熔融焊料表面张力的作用下被挤出来形成锡珠。常见的影响原因如下：

1）再流焊接预热时，升温速率太快，焊膏中溶剂挥发过猛，将焊膏“炸”出焊盘范围形成锡珠。印刷锡膏后进入回流焊,当第一温区设置温度过高时，板上的锡膏会被快速加温，剧烈温变导致锡膏内溶剂快速挥发，过大的挥发速度将锡粉带出，形成锡珠；

2）焊膏印刷全部覆盖焊盘，贴片时压力过大，将焊膏挤出焊盘范围形成锡珠。物料贴装时对锡膏有一定挤压力，当贴装参数设置不当时，器件被快速压入锡膏，锡膏被挤压溅出，形成锡珠；

3）片式元件大焊盘设计，再流时元件塌落过程将熔融焊料挤出焊盘的范围；

4）PCB拒焊导致锡珠。PCB拒焊导致的锡珠源于锡膏熔化焊锡无法在PCB板面聚合，板面上锡膏各自收缩形成锡球；如图所示PCB拒焊引起锡珠；

5）元器件拒焊导致的锡珠。主要出现在Chip类端电极、表面贴装连接器、钽质电容。这几类元件如果拒焊，元件将焊锡挤压外溢，导致被挤压出去的焊锡无法有效收回形成锡珠；

6）再流焊接预热温度。温度曲线对锡珠的影响进行试验研究，发现预热温度越低锡珠率就越低。显然，预热温度较低锡膏出气率也低，将焊膏从主要涂覆部分排气的推力也小，形成锡珠概率也低；

7）锡膏锡粉含氧量导致锡珠。锡膏中锡粉含氧量随锡粉粒径降低而增加, 锡粉粒径越小，相同质量锡膏表面积越大，锡粉中含氧量越高，锡膏融化时更加容易形成锡珠。JIS-Z-3284定义了锡膏锡珠试验的标准；

8）焊膏印刷厚度越厚形成锡珠增加，这是因为有较高的塌陷可能性和更多助焊剂排出气体。减少锡珠设计的准则是减少元器件下面印刷的焊膏量，如图所示消除锡珠钢网开口设计形状。因此，锡珠可通过把焊盘从大的矩形改变成较小的梯形来得到纠正，或应用较薄锡膏的涂覆。

9）钢网孔壁粗糙度导致锡珠。锡膏印刷制程中钢网孔壁粗糙度影响脱模效果，孔壁粗糙，锡膏自钢网孔壁中脱离时受孔壁毛刺的阻挡形成拉尖或零散的锡粉颗粒，如图所示钢网孔壁粗糙与锡膏印刷形成锡珠。锡膏印刷拉尖倒塌后，锡粉颗粒距离焊盘较远，焊锡熔化时不能被收回熔化成焊点，形成锡珠；

10）印刷锡膏之后粉化效应导致锡珠。锡膏印刷制程中，因某种原因导致PCB 板面或钢板底部溶剂残留（如清洗钢网导致溶剂残留、印刷洗板溶剂残留、印刷机擦拭系统溶剂喷涂不均匀），锡膏印刷时，钢网内的锡膏接触PCB板面并向溶剂内延伸的现象，称谓粉化效应。锡膏粉化效应出现时印刷出来的锡膏边缘出现毛边及众多锡粉颗粒，焊锡熔化时不能收回形成焊点，引起众多锡珠产生。如图所示由于锡膏印刷粉化效应产生锡珠；

11）锡膏回温不足，存在锡膏结露现象导致锡珠。锡膏在2℃~10℃环境下保存，使用前需自冰箱内取出回温至室温。回温时不得使用热水泡、或在高温环境下加热。对锡膏加热会导致助焊剂变质，损伤其固有特性。锡膏回温不足，开封使用时锡膏遇冷凝结成露珠进入锡膏内，在进入回流炉时被加热汽化，剧烈的汽化现象会带出锡粉颗粒，称谓“炸锡”，形成大量锡珠。业界一般要求锡膏在室温下自然保存4小时及确保锡膏瓶内外温度一致。

12）元器件本体挤压锡膏导致锡珠。元器件本体挤压锡膏形成锡珠属于DFM范畴，如Chip类本体、连接器本体无Stand-off、钢板开孔扩孔区域过大。贴装后塑料本体或chip本体挤压锡膏并隔断焊锡熔化后形成锡珠。如图所示贴片电阻本体挤压形成锡珠；

波峰焊产生锡珠

预热温度不足、助焊剂中含有水份过多；

助焊剂本身变质，如长期存放变质、助焊剂成份不稳定；

助焊剂喷涂量过大；

PCB吸湿严重；

PCB PTH质量差，如孔壁粗糙度过大、铜厚不均匀、孔壁存在破铜烂壁；

插件元器件本体无Stand-off结构，焊接时堵塞热气体逃逸通道；

载具与PCB板面间残留过度的助焊剂，遇锡波时剧烈汽化，选择焊相对与波峰焊而言，更加出现锡珠。出现锡珠现象时，PCB阻焊层结构会影响锡珠存留机率。哑光油墨表面粗糙度较大，炸锡(溅锡)形成的锡珠接触板面时接触面积较小，不易粘附在表面形成锡珠。亮光油墨粗糙度相对较低，锡珠接触板面面积更大，容易吸附并存留。如图所示PCB亮光阻焊膜形貌锡珠形成。

锡珠形成解决对策

总的来说，解决锡珠的办法有：

工艺方面

1）焊盘设计与元器件端子匹配；

2）减小钢网厚度及开口尺寸；

3）使用能较少印刷到元器件下面焊膏的开口设计，如防锡珠的钢网设计；

4）降低预热升温速率及降低预热温度；

5）减小元器件贴放压力；

6）在使用前预先烘烤元器件或PCB。

材料方面

1）使用较低活化温度的助焊剂及较高活性的助焊剂；

2）使用较高金属含量的焊膏；

3）使用较粗粉粒焊膏；

4）使用含氧量较低焊粉的焊膏；

5）使用较少塌陷的焊膏；

6）控制元器件与PCB可焊性，防止氧化与污染；

7）控制钢网孔壁粗糙度；

8）控制锡膏使用管理、回温、印刷使用；

9）控制PCB PTH制造质量。

墙壁及门缝效应

定义与特征

定义：

指小元件紧靠高、大、厚重的器件。当回流焊制程中热风吹下来被大的器件阻挡，气流向小元件一侧运动导致小元件移位、立碑、空焊的现象称之为墙壁效应，如图所示墙壁效应导致平行小元件移位。门缝效应常见于贴片钽质电容，常见钽质电容端电极是自本体延伸出的金属片弯折于器件底部以形成焊接端子，当弯折在器件本体底部端子与器件本体不在同一平面时，焊接时端子将器件撑起，在本体与PCB间形成缝隙。如在另一侧具有大的器件，热风被高大器件阻挡沿着钽质电容底部缝隙穿过或者回流焊制程中热风直接穿过钽质电容底部缝隙，将紧邻的小元件吹偏位、缺件、立碑、空焊的现象称谓门缝效应。

特征：

小元件靠近高、大、厚重的元器件并与之平行，如果小元件在大元器件正前方，可能产生墙壁效应；如果小元件在大元器件正后方，可能产生门缝效应。

形成机理

形成墙壁效应或门缝效应的本质原因是由于小元件紧靠高、大、厚重的器件且与之平行，小元件焊锡量及粘着力不足以克服热风的作用而导致被热风吹，造成偏位、缺件、立碑、空焊等不良现象。常见几种因素如下：

小元件紧靠高、大、厚重的器件且与之平行；

Reflow热风风速过大，气流不均衡、不稳定；

小元件锡膏印刷存在缺陷。如钢板开孔太小、拉尖、少锡、塞孔、两焊盘间距过大器件贴装浮在锡膏上，未压入焊锡内。

改善措施

墙壁效应及门缝效应的常用对策为：

1）DFM审查时，当小元件紧靠高、大、厚重的器件且与之平行时，可以将小元件改为垂直于大元件或将小元件外移；

2）降低Reflow热风风速，降低热风流动速度；

3）保养reflow，清洁热风,嘴及回风口，确保热风均匀；

4）变更过炉方向，注意转90°或270°过炉，180°过炉一般无效；

5）扩大钢板开孔，增加锡膏量元件；

6）贴装时将器件压入锡膏内，增加锡膏之粘着力。

透锡率不足现象

定义与特征

1）定义：

指插件元器件波峰焊之后金属化孔锡在孔内填充不足的现象。

2）特征：透锡不足是波峰焊接中的高发性缺陷。如图所示X-RAY检测设备中观察到的金属化孔透锡不足现象。

透锡率与湿润要求

IPC-A-610对一级产品透锡高度要求为通孔的50%、二级产品透锡高度要求为通孔的75%、三级产品透锡高度要求为通孔的100%。金属化孔引线焊接质量的最低可接收条件如图所示,其具体数据要求如表2所示。

透锡率不足发生场景

透锡率是IPC-A-610中的一个主要指标。透锡率不足的情况一般发生在以下应用场景：

吸热量大的元器件引脚。

如电源块铜柱子、粗的电感线圈引脚、嵌入铝板的引脚；

导热差的元器件引脚。

如铁镍合金材质的引脚(导热系数仅16左右，是铜的1/25)；

常见有引脚接地标准封装，如电解电容、薄膜电容由于有一个引脚接地，相当于吸热量比较大的封装；

板子的厚度超过2.4mm；

插孔连接平面层数超过规定层5层花焊盘连接或3层实连接。

透锡率不足产生机理

影响透锡率的主要因素是孔壁与引脚的温度，受板厚、掩模开口尺寸、元器件耐温(允许的预热最高温度)、孔壁与大铜皮(如地、电层)的连接等多种因素影响；元器件与通孔匹配性等设计因素；还有焊剂喷涂、间隙(与毛细作用有关)、预热、波峰焊焊接工艺参数等工艺方面的因素；焊锡合金的本身润湿性、元器件可焊性、助焊剂活性等材料有关的因素，但这些往往是能够管控的。主要影响因素如下：

引脚和通孔的孔径不匹配；

器件无stand off，器件本体堵塞通孔（0.2~0.5mm）；

由于设计导致孔壁与引脚的温度不足，如接地、接大铜箔。

元器件或PCB通孔可焊性不佳；

引脚及PCB通孔孔壁氧化严重；

PCB通孔品质导致透锡不足（电镀不良、通孔氧化、通孔污染、孔壁破铜）

工艺与波峰焊焊接参数设置

助焊剂喷涂不足或助焊剂劣化；

锡波高度不足；

热量供给不足；

合金成分及杂质。

透锡不足改善措施

提升透锡率的方法，应根据具体情况，按照以下的原理进行优化设计：

1)设计方面

减缓铜箔吸热，如控制层数，采用导热孔、花焊盘、分流孔、加大间隙等措施补热或阻热流失；

如果使用掩模板，尽可能扩大开口面积；

架高元器件和减小引脚直径，提高元器件引脚热阻，减少引脚的热量损失；

孔径与引脚间隙匹配性（0.2~0.4mm对于引脚小于1mm、0.3~0.4mm对于引脚直径大于1mm），增加元器件stand off。

2)工艺方面

提高锡槽温度和预热温度，调慢传送速度，增加热量供给在，喷涂助焊剂均匀且无不足或过量。

改善基体金属的可焊性；

PCB浸入钎料波峰一定的深度而使孔隙内获得一定的向上压力，这对钎料对孔隙的填充过程有利；

对于热容量存在差异的元器件、PCB，需要设计相应的炉温曲线以保证热量的供给。

作者郭宏飞，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。