SMT工艺不良与组装可靠性

目 录

第一部分 工艺基础\t1

第1章 概述\t3

1．1 电子组装技术的发展\t3

1．2 表面组装技术\t4

1．2．1 元器件封装形式的发展\t4

1．2．2 印制电路板技术的发展\t5

1．2．3 表面组装技术的发展\t6

1．3 表面组装基本工艺流程\t7

1．3．1 再流焊接工艺流程\t7

1．3．2 波峰焊接工艺流程\t7

1．4 表面组装方式与工艺路径\t8

1．5 表面组装技术的核心与关键点\t9

1．6 表面组装元器件的焊接\t10

案例1　QFN的桥连\t11

案例2　BGA的球窝与开焊\t11

1．7 表面组装技术知识体系\t12

第2章 焊接基础\t14

2．1 软钎焊工艺\t14

2．2 焊点与焊锡材料\t14

2．3 焊点形成过程及影响因素\t15

2．4 润湿\t16

2．4．1 焊料的表面张力\t17

2．4．2 焊接温度\t18

2．4．3 焊料合金元素与添加量\t18

2．4．4 金属在熔融Sn合金中的溶解率\t19

2．4．5 金属间化合物\t20

2．5 相位图和焊接\t23

2．6 表面张力\t24

2．6．1 表面张力概述\t24

2．6．2 表面张力起因\t26

2．6．3 表面张力对液态焊料表面外形的影响\t26

2．6．4 表面张力对焊点形成过程的影响\t26

案例3 片式元件再流焊接时焊点的形成过程\t26

案例4 BGA再流焊接时焊点的形成过程\t27

2．7 助焊剂在焊接过程中的作用行为\t28

2．7．1 再流焊接工艺中助焊剂的作用行为\t28

2．7．2 波峰焊接工艺中助焊剂的作用行为\t29

案例5 OSP板采用水基助焊剂波峰焊时漏焊\t29

2．8 可焊性\t30

2．8．1 可焊性概述\t30

2．8．2 影响可焊性的因素\t30

2．8．3 可焊性测试方法\t32

2．8．4 润湿称量法\t33

2．8．5 浸渍法\t35

2．8．6 铺展法\t35

2．8．7 老化\t36

第3章 焊料合金、微观组织与性能\t37

3．1 常用焊料合金\t37

3．1．1 Sn-Ag合金\t37

3．1．2 Sn-Cu合金\t38

3．1．3 Sn-Bi合金\t39

3．1．4 Sn-Sb合金\t39

3．1．5 提高焊点可靠性的途径\t40

3．1．6 无铅合金中常用添加合金元素的作用\t40

3．2 焊点的微观结构与影响因素\t42

3．2．1 组成元素\t42

3．2．2 工艺条件\t44

3．3 焊点的微观结构与机械性能\t44

3．3．1 焊点（焊料合金）的金相组织\t45

3．3．2 焊接界面金属间化合物\t46

3．3．3 不良的微观组织\t50

3．4 无铅焊料合金的表面形貌\t61

第二部分 工艺原理与不良\t63

第4章 助焊剂\t65

4．1 助焊剂的发展历程\t65

4．2 液态助焊剂的分类标准与代码\t66

4．3 液态助焊剂的组成、功能与常用类别\t68

4．3．1 组成\t68

4．3．2 功能\t69

4．3．3 常用类别\t70

4．4 液态助焊剂的技术指标与检测\t71

4．5 助焊剂的选型评估\t75

4．5．1 桥连缺陷率\t75

4．5．2 通孔透锡率\t76

4．5．3 焊盘上锡饱满度\t76

4．5．4 焊后PCB表面洁净度\t77

4．5．5 ICT测试直通率\t78

4．5．6 助焊剂的多元化\t78

4．6 白色残留物\t79

4．6．1 焊剂中的松香\t80

4．6．2 松香变形物\t81

4．6．3 有机金属盐\t81

4．6．4 无机金属盐\t81

第5章 焊膏\t83

5．1 焊膏及组成\t83

5．2 助焊剂的组成与功能\t84

5．2．1 树脂\t84

5．2．2 活化剂\t85

5．2．3 溶剂\t87

5．2．4 流变添加剂\t88

5．2．5 焊膏配方设计的工艺性考虑\t89

5．3 焊粉\t89

5．4 助焊反应\t90

5．4．1 酸基反应\t90

5．4．2 氧化-还原反应\t91

5．5 焊膏流变性要求\t91

5．5．1 黏度及测量\t91

5．5．2 流体的流变特性\t92

5．5．3 影响焊膏流变性的因素\t94

5．6 焊膏的性能评估与选型\t96

5．7 焊膏的储存与应用\t100

5．7．1 储存、解冻与搅拌\t100

5．7．2 使用时间与再使用注意事项\t101

5．7．3 常见不良\t101

第6章　PCB表面镀层及工艺特性\t106

6．1 ENIG镀层\t106

6．1．1　工艺特性\t106

6．1．2　应用问题\t107

6．2 Im-Sn镀层\t108

6．2．1　工艺特性\t109

6．2．2　应用问题\t109

案例6　镀Sn层薄导致虚焊\t109

6．3 Im-Ag镀层\t112

6．3．1　工艺特性\t112

6．3．2 应用问题\t113

6．4　OSP膜\t114

6．4．1　OSP膜及其发展历程\t114

6．4．2　OSP工艺\t115

6．4．3　铜面氧化来源与影响\t115

6．4．4　氧化层的形成程度与通孔爬锡能力\t117

6．4．5　OSP膜的优势与劣势\t119

6．4．6　应用问题\t119

6．5　无铅喷锡\t119

6．5．1　工艺特性\t120

6．5．2　应用问题\t122

6．6　无铅表面耐焊接性对比\t122

第7章　元器件引脚/焊端镀层及工艺性\t124

7．1　表面组装元器件封装类别\t124

7．2　电极镀层结构\t125

7．3　Chip类封装\t126

7．4　SOP/QFP类封装\t127

7．5　BGA类封装\t127

7．6　QFN类封装\t127

7．7　插件类封装\t128

第8章 焊膏印刷与常见不良\t129

8．1 焊膏印刷\t129

8．2 印刷原理\t129

8．3 影响焊膏印刷的因素\t130

8．3．1 焊膏性能\t130

8．3．2 模板因素\t133

8．3．3 印刷参数\t134

8．3．4 擦网/底部擦洗\t137

8．3．5 PCB支撑\t140

8．3．6 实际生产中影响焊膏填充与转移的其他因素\t141

8．4 常见印刷不良现象及原因\t143

8．4．1 印刷不良现象\t143

8．4．2 印刷厚度不良\t143

8．4．3 污斑/边缘挤出\t145

8．4．4 少锡与漏印\t146

8．4．5 拉尖/狗耳朵\t148

8．4．6 塌陷\t148

8．5 SPI应用探讨\t151

8．5．1 焊膏印刷不良对焊接质量的影响\t151

8．5．2 焊膏印刷图形可接受条件\t152

8．5．3 0．4mm间距CSP\t153

8．5．4 0．4mm间距QFP\t154

8．5．5 0．4～0．5mm间距QFN\t155

8．5．6 0201\t155

第9章 钢网设计与常见不良\t157

9．1 钢网\t157

9．2 钢网制造要求\t160

9．3 模板开口设计基本要求\t161

9．3．1 面积比\t161

9．3．2 阶梯模板\t162

9．4 模板开口设计\t163

9．4．1 通用原则\t163

9．4．2 片式元件\t165

9．4．3 QFP\t165

9．4．4 BGA\t166

9．4．5 QFN\t166

9．5 常见的不良开口设计\t168

9．5．1 模板设计的主要问题\t168

案例7 模板避孔距离不够导致散热焊盘少锡\t169

案例8 焊盘宽、引脚窄导致SIM卡移位\t170

案例9 熔融焊锡漂浮导致变压器移位\t170

案例10 防锡珠开孔导致圆柱形二极管炉后飞料问题\t171

9．5．2 模板开窗在改善焊接良率方面的应用\t171

案例11 兼顾开焊与桥连的葫芦形开窗设计\t171

案例12 电解电容底座鼓包导致移位\t173

案例13 超薄BGA变形导致桥连与球窝\t174

第10章 再流焊接与常见不良\t175

10．1 再流焊接\t175

10．2 再流焊接工艺的发展历程\t175

10．3 热风再流焊接技术\t176

10．4 热风再流焊接加热特性\t177

10．5 温度曲线\t178

10．5．1 温度曲线的形状\t179

10．5．2 温度曲线主要参数与设置要求\t180

10．5．3 炉温设置与温度曲线测试\t186

10．5．4 再流焊接曲线优化\t189

10．6 低温焊料焊接SAC锡球的BGA混装再流焊接工艺\t191

10．6．1 有铅焊料焊接无铅BGA的混装工艺\t192

10．6．2 低温焊料焊接SAC锡球的混装再流焊接工艺\t196

10．7 常见焊接不良\t197

10．7．1 冷焊\t197

10．7．2 不润湿\t199

案例14 连接器引脚润湿不良现象\t200

案例15 沉锡板焊盘不上锡现象\t201

10．7．3 半润湿\t202

10．7．4 渗析\t203

10．7．5 立碑\t204

10．7．6 偏移\t207

案例16 限位导致手机电池连接器偏移\t207

案例17 元器件安装底部喷出的热气流导致元器件偏移\t208

案例18 元器件焊盘比引脚宽导致元器件偏移\t208

案例19 片式元件底部有半塞导通孔导致偏移\t209

案例20 不对称焊端容易导致偏移\t209

10．7．7 芯吸\t210

10．7．8 桥连\t212

案例21 0．4mm QFP桥连\t212

案例22 0．4mm间距CSP（也称?BGA）桥连\t213

案例23 铆接锡块表贴连接器桥连\t214

10．7．9 空洞\t216

案例24 BGA焊球表面氧化等导致空洞形成\t218

案例25 焊盘上的树脂填孔吸潮导致空洞形成\t219

案例26 HDI微盲孔导致BGA焊点空洞形成\t219

案例27 焊膏不足导致空洞产生\t220

案例28 排气通道不畅导致空洞产生\t220

案例29 喷印焊膏导致空洞产生\t221

案例30 QFP引脚表面污染导致空洞产生\t221

10．7．10 开路\t222

10．7．11 锡球\t223

10．7．12 锡珠\t226

10．7．13 飞溅物\t229

10．8 不同工艺条件下用63Sn/37Pb焊接SAC305 BGA的切片图\t230

第11章 特定封装的焊接与常见不良\t232

11．1 封装焊接\t232

11．2 SOP/QFP\t232

11．2．1 桥连\t232

案例31 某板上一个0．4mm间距QFP桥连率达到75%\t234

案例32 QFP焊盘加工尺寸偏窄导致桥连率增加\t235

11．2．2 虚焊\t235

11．3 QFN\t236

11．3．1 QFN封装与工艺特点\t236

11．3．2 虚焊\t238

11．3．3 桥连\t240

11．3．4 空洞\t241

11．4 BGA\t244

11．4．1 BGA封装类别与工艺特点\t244

11．4．2 无润湿开焊\t245

11．4．3 球窝焊点\t246

11．4．4 缩锡断裂\t248

11．4．5 二次焊开裂\t249

11．4．6 应力断裂\t250

11．4．7 坑裂\t251

11．4．8 块状IMC断裂\t252

11．4．9 热循环疲劳断裂\t253

第12章　波峰焊接与常见不良\t256

12．1　波峰焊接\t256

12．2　波峰焊接设备的组成及功能\t256

12．3　波峰焊接设备的选择\t257

12．4　波峰焊接工艺参数设置与温度曲线的测量\t257

12．4．1　工艺参数\t258

12．4．2　工艺参数设置要求\t258

12．4．3　波峰焊接温度曲线测量\t258

12．5　助焊剂在波峰焊接工艺过程中的行为\t259

12．6　波峰焊接焊点的要求\t260

12．7　波峰焊接常见不良\t262

12．7．1　桥连\t262

12．7．2　透锡不足\t265

12．7．3　锡珠\t266

12．7．4　漏焊\t268

12．7．5　尖状物\t269

12．7．6　气孔―吹气孔/针孔\t269

12．7．7 孔填充不良\t270

12．7．8　板面脏\t271

12．7．9　元器件浮起\t271

案例33　连接器浮起\t272

12．7．10　焊点剥离\t272

12．7．11　焊盘剥离\t273

12．7．12　凝固开裂\t274

12．7．13　引线润湿不良\t275

12．7．14　焊盘润湿不良\t275

第13章　返工与手工焊接常见不良\t276

13．1　返工工艺目标\t276

13．2　返工程序\t276

13．2．1 元器件拆除\t276

13．2．2　焊盘整理\t277

13．2．3　元器件安装\t277

13．2．4　工艺的选择\t277

13．3　常用返工设备/工具与工艺特点\t278

13．3．1　烙铁\t278

13．3．2　热风返修工作站\t279

13．3．3　吸锡器\t281

13．4　常见返修失效案例\t282

案例34　采用加焊剂方式对虚焊的QFN进行重焊导致返工失败\t282

案例35　采用加焊剂方式对虚焊的BGA进行重焊导致BGA中心焊点断裂\t282

案例36　风枪返修导致周边邻近带散热器的BGA焊点开裂\t283

案例37　返修时加热速率太大导致BGA角部焊点桥连\t284

案例38　手工焊接大尺寸片式电容导致开裂\t284

案例39　手工焊接插件导致相连片式电容失效\t285

案例40　手工焊接大热容量插件时长时间加热导致PCB分层\t285

案例41　采用铜辫子返修细间距元器件容易发生微桥连现象\t286

第三部分　组装可靠性\t289

第14章　可靠性概念\t291

14．1　可靠性定义\t291

14．1．1　可靠度\t291

14．1．2　MTBF与MTTF\t291

14．1．3　故障率\t292

14．2　影响电子产品可靠性的因素\t293

14．2．1　常见设计不良\t293

14．2．2　制造影响因素\t294

14．2．3　使用时的劣化因素\t295

14．3　常用的可靠性试验评估方法―温度循环试验\t296

第15章　完整焊点要求\t298

15．1　组装可靠性\t298

15．2　完整焊点\t298

15．3　常见不完整焊点\t298

第16章　组装应力失效\t304

16．1　应力敏感封装\t304

16．2　片式电容\t304

16．2．1　分板作业\t304

16．2．2　烙铁焊接\t306

16．3　BGA\t307

第17章　使用中温度循环疲劳失效\t308

17．1　高温环境下的劣化\t308

17．1．1　高温下金属的扩散\t308

17．1．2　界面劣化\t309

17．2　蠕变\t309

17．3　机械疲劳与温度循环\t310

案例42　拉应力叠加时的热疲劳断裂\t310

案例43　某模块灌封工艺失控导致焊点受到拉应力作用\t310

案例44　灌封胶与PCB的CTE不匹配导致焊点早期疲劳失效（开裂）\t312

第18章　环境因素引起的失效\t313

18．1 环境引起的失效\t313

18．1．1　电化学腐蚀\t313

18．1．2　化学腐蚀\t315

18．2　CAF\t316

18．3　银迁移\t317

18．4　硫化腐蚀\t318

18．5　爬行腐蚀\t318

第19章　锡须\t321

19．1　锡须概述\t321

19．2　锡须产生的原因\t322

19．3　锡须产生的五种基本场景\t323

19．4　室温下锡须的生长\t324

19．5　温度循环（热冲击）作用下锡须的生长\t325

19．6　氧化腐蚀引起的锡须生长\t326

案例45　某产品单板上的轻触开关因锡须短路\t327

19．7　外界压力作用下的锡须生长\t327

19．8　控制锡须生长的建议\t328

后记\t330

参考文献\t331