第三章电子组件工艺评价方法及案例研究

2012/11/251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2012/11/252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qslgslssgs杨氏方程润湿是焊接的首要条件！2012/11/253焊点的最佳润湿角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。2012/11/254PbSn表面扩散向晶粒内扩散分割晶粒扩散选择扩散Cu表面熔融Sn/Pb焊料侧晶粒扩散示意图不同金属在Sn中的扩散率2012/11/255（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2012/11/256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2012/11/2573.2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2012/11/2581）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（最高温度）4焊接设备（加热方式，加热效率）5复杂器件的影响2012/11/259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）KesterReflowProfileforLead-FreeAlloy(SnAgCu)20406080100120140160180200220240260050100150200250300Time(sec.)Temperature(C)SoakZone50-70secstypicalReflowZone50-60secstypicalPeakTemp.(235-245oC)Pre-heatZone40-70secstypicalPreheatZone=110-150oCSoakZone=150-220oCReflowZone=Above220oCRampRate0.5-线性温度曲线2012/11/2510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2012/11/2511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2012/11/2512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2012/11/2513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2012/11/2514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2012/11/2515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。2012/11/2516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）2012/11/2517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2012/11/2518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2012/11/2519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。Cl－Cu＋2Sn＋2Pb＋2OH－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2012/11/2520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（最关键的因素）)exp)((0kTEaionDkTqu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)AgCuPbSn-PbSnAu（慢）2012/11/2521PCBA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2012/11/2522EDS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2012/11/2523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2012/11/2524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2012/11/2525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：最少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。测试项目条款测试方法等级要求SIR3.4.1.42.3.6.7LNo-cleanstate≥100MΩECM3.4.1.52.6.14.1MCleanedorno-cleanstate≥100MΩHCleaned≥100MΩ助焊剂SIR测试和ECM测试2012/11/2526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20min1M的