【正文】 常見缺陷以及解決措施 缺陷的種類產(chǎn)生缺陷的種類很多，有“黑盤”現(xiàn)象；表面裂紋（龜裂） ；焊點(diǎn)剝離；晶須；離子遷移；元素污染等等下面重點(diǎn)研究“黑盤” ，表面裂紋（龜裂）焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象。 “黑盤” 現(xiàn)象 產(chǎn)生此現(xiàn)象的表現(xiàn)“黑盤”現(xiàn)象的宏觀表現(xiàn)為經(jīng)過 ENIG 表面處理的焊盤會(huì)偶發(fā)性的出現(xiàn)可焊性不良 , 并導(dǎo)致隨后的焊點(diǎn)強(qiáng)度不厚，甚至開裂，開裂后焊盤表面多呈深灰色或黑色。 “黑盤”問題是電化學(xué)對(duì) ENIG 攻擊的結(jié)果，酸性浸 Au 槽對(duì)低 P 含量的化學(xué)鍍鎳層腐蝕嚴(yán)重，容易產(chǎn)生富 P 層，導(dǎo)致可焊性下降；而 Ni 的高自由能比別的晶界更易發(fā)生氧化，到達(dá)一定程度氧化層呈現(xiàn)灰色至黑色。圖如下22 / 38 產(chǎn)生機(jī)理“黑盤”現(xiàn)象與焊點(diǎn)的脆化有關(guān)，涉及了許多發(fā)生在 Ni(P)/Ni3Sn4 界面或附近的焊點(diǎn)斷裂現(xiàn)象。第一脆化機(jī)理是指在浸金過程中，由于過度腐蝕而使 Ni(P)表面缺乏可焊性，但也包括不同合金或合金化合物在界面附近產(chǎn)生的作用，反映在接點(diǎn)焊盤或附近出現(xiàn)明顯的脆弱性，降低機(jī)械耐疲勞強(qiáng)度。根據(jù)這種機(jī)理，看上去很完美的金屬間化合物結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。第二脆化機(jī)理是指由于 Ni3Sn4 的增加引起 P 富集，在 Ni 與Ni3Sn4 之間形成 Ni3P 層，并在 Ni3P 層和 Ni3Sn4 層之間生成一種結(jié)合力很弱的三元相NiPSn 第三脆化機(jī)理是“ 黑盤”現(xiàn)象產(chǎn)生過程，焊接時(shí) Au 全部熔于釬料中，釬料直接與 Ni 接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，焊點(diǎn)就附著在氧化的 Ni 表面，受到?jīng)_擊時(shí)焊點(diǎn)易發(fā)生失效。三個(gè)基本的現(xiàn)象可用來證明焊點(diǎn)失效與“黑盤”現(xiàn)象有關(guān)：1）暴露在破碎 Ni 表面中的腐蝕裂紋（可通過 IMC 觀察）；2）拋光的橫截面觀察到的腐蝕及腐蝕穿透鎳層的深度；3）相對(duì) Ni 體積中磷含量而言，在腐蝕處出現(xiàn)富磷現(xiàn)象。富磷現(xiàn)象可有力證明腐蝕發(fā)生，因鎳在腐蝕的地方被耗盡而使磷的比例富裕。“黑盤”現(xiàn)象易出現(xiàn)在 BGA 器件四個(gè)角落，Ronald A 等人對(duì) BGA 失效部位進(jìn)行 EDS 分析，腐蝕處 BGA 焊球底部 P 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)溶液中磷含量，出現(xiàn)明顯的富磷區(qū)，如下圖所示。23 / 38 解決措施短期解決措施：在工藝允許范圍內(nèi)減小熱偏移。（1）減少回流焊工藝液相線以上時(shí)間（TAL）；（2）降低回流焊工藝峰值溫度；（3）二次回流焊工藝中再次減少峰值溫度和液相線以上時(shí)間（TAL）；（4）減少波峰焊工藝熱參數(shù)和停留時(shí)間；（5）降低鍍層表面存在的裂縫和水分；（6）鍍鎳后及時(shí)清洗酸性鍍液，防止長(zhǎng)時(shí)間鎳被腐蝕。長(zhǎng)期解決措施：控制 ENIG 鍍層。（1）控制 EN 層 P 含量，一般為 7～8wt%以實(shí)現(xiàn)良好的抗腐蝕性；（2）控制 EN 層厚度，一般為 5um。如果 EN 層較薄，釬料和 EN 層間的反應(yīng)導(dǎo)致 Kirkendall 孔洞產(chǎn)生，從而使界面強(qiáng)度下降，影響焊點(diǎn)可靠性；（3）減小鍍槽內(nèi)金屬污染，比如 Ni 的污染需控制在 500ppm 以下；（4）維持供應(yīng)商提供的鍍層參數(shù)，控制鍍槽內(nèi) pH 值，化學(xué)成分及溫度，pH 值一般為 3～4；（5）沉淀 Au 層時(shí)保證鍍槽內(nèi)最小限度腐蝕性的中性金浴槽；（6）增加一些添加劑析出在晶粒邊界，影響晶粒度和孔隙防止過渡氧化。 表面裂紋（龜裂） 產(chǎn)生此現(xiàn)象的表現(xiàn)由于 PCB 基板材料及 PCB 上銅箔導(dǎo)線、銅過孔及元件引腳之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，焊接過程中 PCB 在 Z 軸方向出現(xiàn)的熱膨脹遠(yuǎn)大于銅過孔臂的熱膨脹，從而引起焊點(diǎn)和焊盤變形，如圖下圖 1 所示。即使 PCB 通過了波峰，但大量密集焊點(diǎn)固化熱量傳導(dǎo)至板材而使 PCB 繼續(xù)處于熱膨脹狀態(tài)。一旦固化熱能輻射結(jié)束，焊點(diǎn)就開始緩慢下降至環(huán)境溫度，PCB 開始冷卻恢復(fù)平板狀，這就在焊點(diǎn)表面產(chǎn)生很大的應(yīng)力，引起焊盤起翹或焊點(diǎn)剝離（有 Pb、Bi 污染時(shí)）或表面裂紋，如圖下圖 2 所示。124 / 382表面裂紋是無鉛波峰焊工藝中通孔焊點(diǎn)上出現(xiàn)的新缺陷，如下圖所示，在接觸波峰面焊點(diǎn)表面出現(xiàn)一肉眼可觀察到的裂紋。IPC610D 指出：只要裂紋底部不深入到焊點(diǎn)內(nèi)部影響電氣及力學(xué)性能就判定為合格，但實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免表面裂紋的產(chǎn)生。25 / 38 產(chǎn)生機(jī)理PCB 離開波峰焊點(diǎn)開始固化期間，焊點(diǎn)開始從 PCB 頂部至底部逐漸固化，由下表可以看出引腳和焊盤熱導(dǎo)率最大，近元件引腳的焊點(diǎn)頂部和焊盤邊緣也最容易冷卻先固化，其次是與低溫空氣接觸的焊點(diǎn)表面同時(shí)形成一層表皮。在后續(xù)固化過程中，由于焊點(diǎn)內(nèi)部熱量要釋放，其熱量會(huì)流向引腳，導(dǎo)致大塊釬料凝固過程期間元件引腳繼續(xù)膨脹。在這種情況下，大塊釬料冷卻體積收縮而引腳仍然相對(duì)伸長(zhǎng)，這就在已固化表面產(chǎn)生張力和剪切力。再加上焊點(diǎn)固化后 PCB 在 Z 方向有很大的收縮，造成焊點(diǎn)存在大的應(yīng)力應(yīng)變。隨后在 PCB 開始冷卻恢復(fù)平板狀時(shí)，如果焊盤與 PCB 基板之間粘合力足夠強(qiáng)，那么焊點(diǎn)的變形就會(huì)引起表面裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)實(shí)際發(fā)生的應(yīng)變量超過材料本身所具有的塑性變形能力時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生開裂，因此裂紋一般從高應(yīng)力應(yīng)變位置產(chǎn)生。值得注意的是，一般在共晶釬料中是不宜出現(xiàn)表面裂紋，而非共晶釬料中較多，原因可能是非共晶釬料存在固液共存的低塑性區(qū)，并且產(chǎn)生 60～80%左右的枝狀晶，此時(shí)在不大的應(yīng)力作用下就可被拉開；PCB 下表面焊點(diǎn)更易出現(xiàn)表面裂紋，原因可能是釬料波向上的沖擊和回落使 PCB 上下焊點(diǎn)的熱分布不同，導(dǎo)致 PCB 下方焊點(diǎn)凝固延遲時(shí)間更長(zhǎng)，即處于固液共存溫度區(qū)間時(shí)間更長(zhǎng)?？焖倮鋮s使凝固等溫線移動(dòng)速度快，沒有足夠的時(shí)間產(chǎn)生應(yīng)變，如果產(chǎn)生的有效應(yīng)力低于金屬自身強(qiáng)度，焊點(diǎn)雖然沒有發(fā)生應(yīng)變，但殘余應(yīng)力會(huì)保留在其內(nèi)部。若冷卻速率太快則會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)力，又由于焊點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布極不均勻，應(yīng)變量較空冷焊點(diǎn)有所增加，更容易產(chǎn)生開裂。慢速冷卻使凝固等溫線移動(dòng)速度慢，有效應(yīng)力通過兩相區(qū)收縮變形得以釋放，形成的通道空間被液態(tài)釬料填充，如果通道空間靠近表面，凝固后就以表面裂紋的形式保存下來。所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡可能采用快速冷卻，但不能太快，一般要求控制在 10℃/s 左右。26 / 38 解決措施（1）控制合適的釬焊溫度和浸錫時(shí)間，減少變形量，比如提高預(yù)熱溫度，降低焊接溫度；（2）控制適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。冷卻速度對(duì)晶粒的形態(tài)和大小影響很大，要避免形成過大的方向性明顯的枝晶，影響釬料基體應(yīng)變量和焊點(diǎn)可靠性。（3）控制材料工藝性。保持印刷電路板清潔，防止元器件引線氧化，設(shè)計(jì) PCB 兩面焊盤對(duì)稱，評(píng)估板面和元件鍍層的影響（推薦 IAg/IAu），評(píng)估焊劑化學(xué)物質(zhì)對(duì)裂紋是否有作用，選用 Z 方向膨脹系數(shù)小的基板材料，選用含對(duì)無鉛合金裂紋收縮的形成有顯著影響的元素（添加 Ni），選用共晶釬料，防止 Pb、Bi 的污染等。 剝離 產(chǎn)生此現(xiàn)象的表現(xiàn)剝離起源于接近焊盤拐角附近的環(huán)形區(qū)域。焊后冷卻過程中拐角區(qū)由于應(yīng)力集中較大首先開裂，如應(yīng)力未完全釋放，將導(dǎo)致焊盤外緣界面上應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)變累積并超過材料塑性變形能力后，開裂會(huì)沿釬料/焊盤界面擴(kuò)展直至完全剝離，如下圖所示。剝離一般發(fā)生在結(jié)晶后期，在釬料偏析產(chǎn)生的低熔相液相線以上稍高溫度期間，屬于熱裂紋之列，發(fā)生機(jī)制同結(jié)晶裂紋發(fā)生機(jī)制相似。偏析使得凝固延遲的焊盤拐角區(qū)釬料液相線顯著降低，使低塑性的固液態(tài)區(qū)間增大，局部液相存在時(shí)間更長(zhǎng)。此外，如果釬料中含Bi 或 P b 污染時(shí)剝離的概率更大，因?yàn)榇藭r(shí)低熔相熔點(diǎn)很低。27 / 38 產(chǎn)生機(jī)理導(dǎo)致焊點(diǎn)剝離的主要原因有三方面：微觀成分偏析、非同步凝固和冷卻收縮過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。釬料中 Bi 的存在是形成焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象的主要原因，SnBi 二元合金中存在一熔點(diǎn)只有 138℃的共晶相，如果無鉛釬料中含有 Bi 元素，在焊點(diǎn)凝固過程中，釬料主體在 220℃左右的溫度區(qū)間內(nèi)已凝固，但凝固過程中偏析出來的 SnBi 共晶卻要等到138℃左右才開始凝固，由此造成了釬料的非同步凝固現(xiàn)象。值得注意的是并不是含 Bi 元素就一定會(huì)偏析，一般含量控制在 1wt%以下，最大不超過 3wt%，否則會(huì)出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。此外，電子組裝件在焊接過程中要吸收熱量，冷卻過程中印刷電路板上的熱量會(huì)通過鍍層向熱導(dǎo)率非常好的 Cu 焊盤傳遞，從而造成了與焊盤接觸部分的釬料不能與其他部分釬料同步凝固，這是由局部溫度不平衡造成的非同步凝固。當(dāng)焊盤界面處殘存滯后凝固的液相時(shí)，材料的熱脹冷縮就會(huì)導(dǎo)致了焊點(diǎn)剝離的產(chǎn)生。首先，已冷卻釬料的凝固收縮會(huì)對(duì)焊盤界面處殘存液相產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力的約束；其次，PCB 板 Z 方向熱脹冷縮系數(shù)一般很大，冷卻過程中的收縮將促使焊盤與焊點(diǎn)脫離，研究發(fā)現(xiàn) SAC305 和 焊點(diǎn)都有剝離現(xiàn)象發(fā)生，前者發(fā)生率極少，而后者發(fā)生概率極高并存在規(guī)律性； 和 釬料焊點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)剝離現(xiàn)象。下表為發(fā)生剝離焊點(diǎn)的界面形貌特征。28 / 38需要指出的是，如果無鉛釬料中含有 In，同樣會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象的發(fā)生，原因與含 Bi 釬料合金的情況一致， SnIn 之間可以形成熔點(diǎn)只有 120℃的共晶相。如果波峰焊或是回流焊工藝中使用不含 Bi 的無鉛釬料，但是相關(guān)的元件外線表面鍍層及印刷電路板表面保護(hù)層使用 SnPb 釬料，這種情況下焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象仍有可能發(fā)生，其基本原理與上述一致，SnPb 之間能夠形成熔點(diǎn)為 183℃的共晶相，同樣會(huì)產(chǎn)生非同步凝固現(xiàn)象。如果此時(shí)釬料中含有 Bi，情況會(huì)變得更為嚴(yán)重，因?yàn)?SnPbBi 之間可以形成一熔點(diǎn)只有96℃的共晶相。 解決措施（1）控制釬料中的 Bi 含量至 1％以下；（2）無鉛工藝中做到完全無鉛化，即元件外線表面鍍層及 PCB 表面保護(hù)層均做到無鉛化，盡量不使用含 Bi 或 In 的釬料，并防止 Pb 污染；（3）控制合適的釬焊溫度和浸錫時(shí)間。釬焊溫度過低、浸錫時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)濕不良，釬焊溫度過高、浸錫時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使熱應(yīng)變?cè)龃?，促使剝離發(fā)生；（4）保持 PCB 焊盤和元件引線清潔，增加焊劑活性，防止焊點(diǎn)潤(rùn)濕不良；（5）開發(fā) PCB 材料與制作工藝，減少 Z 方向的熱膨脹系數(shù)；（6）考慮 PCB 熱設(shè)計(jì)，使基板內(nèi)部熱量盡量釋放；（7）在回流＋波峰復(fù)合工藝中，盡量采用 SMD 焊盤結(jié)構(gòu)；（8）控制適當(dāng)冷卻速度。冷卻速度影響晶粒的形態(tài)和大小，快速冷卻可避免形成過大的方向性明顯的枝晶，減小焊點(diǎn)剝離趨勢(shì)，但程度不是很明顯，只有在冷卻速度大于20℃/s 時(shí)，對(duì)剝離現(xiàn)象的抑制作用才較明顯。但過大的冷卻速率隨能夠抑制偏析，卻不能完全抑制剝離，而且還會(huì)導(dǎo)致表面裂紋增加（當(dāng)冷卻速率達(dá)到 10℃/s 以上時(shí)）。29 / 38第 6章 結(jié)論鉛污染問題的治理，導(dǎo)致了對(duì)無鉛焊料的研究，這既是一種挑戰(zhàn)，又是一個(gè)契機(jī)。而無鉛焊料替代鉛錫焊料將是必然的趨勢(shì)。同時(shí)無鉛焊料的使用導(dǎo)致了新的焊接工藝流程，新的設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用。另外，無鉛焊接工藝技術(shù)的應(yīng)用致使組裝材料、設(shè)備和工藝等發(fā)生了許多變化，相應(yīng)的也出現(xiàn)了許多新的產(chǎn)品質(zhì)量問題。只要通過科學(xué)合理的方法去解決，充分認(rèn)識(shí)無鉛釬料特性，更新專業(yè)加工概念，發(fā)現(xiàn)問題，認(rèn)識(shí)問題，進(jìn)行探究與分析，找出解決之道，防止問題與未然，實(shí)現(xiàn)高成品率，減少和消除各種焊接缺陷問題，才是降低成本的最大根基。30 / 38致 謝本文是在我的指導(dǎo)老師梁萬雷的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，從開題伊始到論文結(jié)束，老師給予我很大的指導(dǎo)和幫助在今后的學(xué)習(xí)工作中，我將銘記恩師對(duì)我的教誨和鼓勵(lì)，盡自己最大的努力取得更好的成績(jī)。這三年里電子工藝與管理教研室的每位老師對(duì)我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。同時(shí)思想，覺悟，人生觀，世界觀有了很大的變化，更能適應(yīng)未來全球化的挑戰(zhàn)，并且理解了終生學(xué)習(xí)的重要性。在此，向所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！也要衷心感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的老師。31 / 38參考文獻(xiàn)[1] （日）營(yíng)沼克昭．無鉛焊接技術(shù)，2022，38．[2] 陳國(guó)海，耿志挺，馬莒生．新型無鉛焊料合金 SnAgCuInBi 材料，2022，2(4):36.[3]　張曙光，何禮君，2022，18(6):72.[4] 楊劍，吳志兵，黃艷. ，2022，18（5）：472478.[5] 2022，3：5965.[6] 樊融融， 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