作者：贾忠中
出版社：电子工业出版社
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SMT工艺不良与组装可靠性试读：
前言
表面组装技术（SMT）的发展，如果从彩色电视机调谐器的广泛应用作为起点算起，已经有30年以上的历史了，但是，其发展仍然日新月异，每隔半年，我们都会看到新的材料、新的封装或新的工艺出现。技术的进步远比我们解决问题的步伐要快，旧的问题还没有完全解决，新的问题又出现了，挑战不断，这就是表面组装技术的魅力，也是作者写作此书的动力。
本书是写给那些在生产一线忙碌的工程师的，以核心工艺为纲、工程实战经验为目来组织材料。内容上聚焦工程应用主题，突出基本概念与原理、核心工艺、主要组装问题及最新应用，希望能够为读者提供全新视角、接地气的 SMT 应用工程知识。同时，也探讨了一些新出现的工艺问题，如 ENIG 表面处理 Ni 氧化现象，这部分内容带有一点学术性质，分析不一定完全正确，仅供参考。
表面组装过程中出现的不良现象很多，但是，对焊接质量影响比较大的主要是印刷的少印（少锡）、漏印，再流焊接的桥连、开路、焊点应力开裂，波峰焊接的桥连与透锡不良等。统计数据表明，只要解决了这些问题，就等于解决了90%以上的组装不良问题。这些组装不良现象之所以难以有效地管控，主要是这些问题不全是现场工艺问题，往往与元器件的封装、PCB的设计、焊膏的选用与模板的设计等很多因素有关，如波峰焊的透锡问题，很大程度上是一个设计问题。要解决这些问题，需要从产生问题的根本原因入手。
本书写作风格延续了本人作品一贯的“图文并茂”的特点。现代社会，生活节奏很快，读图比读文字更加高效与有趣，希望读者在快乐中学习。写作上力求简明、实用，使读者入得门、看得懂，结论性的论述做到有言必有据，经验性的论述做到背后有案例支持。希望能够为读者提供适用、实用、管用的电子制造知识。
本书聚焦三部分内容：工艺基础、工艺原理与不良及组装可靠性。
工艺基础部分：主要介绍表面组装技术的概念、工艺流程与核心；软钎焊的基本原理—加热、润湿、扩散和界面反应，以及润湿、界面反应、可焊性等重要概念；焊点的微观组织与机械性能、焊料合金组分和工艺条件的关系；焊点焊接与元器件焊接的异同，这是理解 SMT 工艺原理、优化生产工艺条件的依据与基础。这部分内容是电子制造工程师必须了解的知识。
工艺原理与不良部分，主要介绍 SMT 主要工艺辅料、核心工艺的原理与常见的工艺不良现象及产生的原因，包括：①焊膏、焊剂；②模板设计；③焊膏印刷原理与常见不良现象及产生原因；④再流焊接、波峰焊接原理与常见不良现象及产生原因。这部分内容是电子制造工程师必须掌握的知识。
组装可靠性部分，重点介绍组装过程中产生的、有潜在可靠性风险的组装不良问题，诸如应力引发的焊点开裂、焊剂引发的绝缘下降等，聚焦板级互联的工艺失效，如焊点开裂、绝缘性能下降、腐蚀失效。
电子组件焊接的内涵，归根到底就是一个“特”字。不同的封装结构，工艺特性不同；不同的焊点结构，焊料的熔化顺序与流动过程不同，等等。这些“特”决定了模板开口的图形形状与尺寸、焊膏量的大小及温度曲线形状设计，即每个封装的焊接工艺都是独特的。只有理解了这点，才可称之为“入了门、摸到了边”，希望读者阅读本书时始终思考“特”这样一个内涵。
本书采用了45个案例来强化对工艺原理的理解，这些案例及实物图均具有工艺的典型性，对于理解工艺的原理有很大的帮助。这些案例是本书的“亮点”，也是价值所在。
读完本书，希望读者能够了解以下五点：（1）焊点的焊接与封装的焊接有很大的不同，封装的焊接必须考虑封装本身的结构、焊点的结构、焊点的微观形成过程—焊料的熔化顺序、流向与流动过程及封装的变形。（2）SMT 的核心是工艺，工艺的核心是焊膏印刷，印刷工艺的核心是支撑和擦网（有人把支撑和擦网称为工艺中的工艺）。影响焊膏印刷的因素包括但不限于焊膏黏度与触变性、模板、PCB的设计（布局与阻焊）、印刷参数、印刷支撑与擦网。（3）SMT焊接不良主要与焊膏用量有关，焊盘大小决定其相关性的大小即敏感度，与微焊盘、下锡性能相关联。（4）焊点微观组织决定焊点机械性能，焊料合金的成分与工艺条件决定焊点的微观组织。对焊点可靠性而言，界面微观组织是主要的影响因素。对于高可靠性产品，需要关注界面金属间化合物形貌与尺寸（如连续层厚度、IMC高宽比等）。（5）工艺技术是一门工程技术，往往先有实践后有理论，因此，在解决实际生产中的疑难工艺问题时，如果无从下手，“试”是一个比较有效的方法—换元件、换焊膏、调参数，通过“试”，往往能够找到解决问题的方向或思路。必须意识到，业界仍然有很多的工艺疑难问题，机理不是很清楚，但这不妨碍我们解决这些问题，只要了解这些问题发生的场景，就可以避免再次发生同样的问题。
本书部分机理性解析是基于本人的工程实践，不一定正确，不当之处敬请批评指正，反馈邮箱：1079585920@qq.com。
李宁成博士是一位在SMT业界享有很高声望的顶级专家，对电子焊接技术有非常系统、全面和深入的研究，对SMT的发展有诸多贡献，参与和主导了多份IPC标准的编制。他在百忙之中审阅了本书的原稿，并提出了很好的建议，同时为本书题写了序言，在此深表感谢。还需要说明的是，本书焊膏和再流焊接与常见不良两章，部分参考了李宁成博士所著《再流焊接工艺及缺陷诊断》一书有关内容，再次表示感谢。
还要感谢东莞市凯格精密机械有限公司的大力支持，使得本书能以全彩的形式呈现给读者。在此特别感谢邱国良董事长和刘勇军总经理的支持。
我的同事，中兴通讯工艺专家刘哲、邱华盛、王玉、孙磊阅读了本书初稿并提出了很多很好的建议，在此深表感谢！贾忠中2018年10月于深圳第一部分 工艺基础第1章 概述1.1 电子组装技术的发展
小型化、多功能化一直是电子元器件封装技术发展的目标。随着电子元器件封装技术的发展，电子组装技术也经历了手工焊接、浸焊、波峰焊接、表面组装四个发展阶段，如表1-1所示。表1-1 电子组装技术的发展历史
表面组装技术源自美国通信卫星使用的短引线扁平安装技术，但是其快速的发展与成熟却是在彩色电视机调谐器大规模制造的需求驱动下实现的。随着表面组装生产线技术的成熟，反过来又带动了元器件封装技术的表面组装化发展，到20世纪90年代初，基本上可以采购到所需的各类表面组装封装形式的电子元器件。
表面组装技术之所以得以快速发展，相比于插装技术，它有四大突出优势：（1）组装密度高。这是最主要的优势，它使电子产品小型化、多功能化成为可能，可以说没有它就没有今天的智能手机。（2）可靠性高。（3）高频性能好。（4）适应自动化。表面组装元器件与插装元器件相比更适合自动化组装，不仅提高了生产效率，也提高了焊点质量。
在移动便携设备更小、更多功能、更长待机时间的需求驱动下，表面组装技术正向着微组装技术快速发展。今后，表面组装技术将与元器件的封装技术进一步融合，迈向所谓的后SMT时代（Post-SMT）。1.2 表面组装技术
表面组装技术也称为表面贴装技术、表面安装技术，指将表面组装元器件（也称表面贴装元器件、表面安装元器件）安装到印制电路板（PCB）上的技术。英文名称为Surface Mount Technology，简称为SMT。
从严格意义上来讲，表面组装技术主要包括材料技术、设备技术、工艺技术及检测技术，如图1-1所示。图1-1 表面组装技术的组成
有时也把表面组装元器件封装技术和表面组装印制电路板技术作为表面组装技术的一部分，这样有利于系统地考虑问题，优化工艺条件。事实上，元器件封装技术和表面组装印制电路板技术与表面组装技术互为基础、互相促进、联动发展。1.2.1 元器件封装形式的发展
表面组装元器件主要包括三大类别，即无源元器件、有源元器件和机电元器件。无源元器件主要为片式电阻、片式电容；有源元器件主要为各种半导体器件；机电元器件主要为各种形式的接插件。
封装形式，简单讲就是元器件包封的外形结构，包括包封的尺寸、引出端布局与形式，如Chip类（也称片式元件）、PLCC、SOP、QFP、BGA、QFN、LGA及PoP等。我们经常听到SIP等概念，这里必须提醒，从板级组装的角度看，SIP不是一种新的封装形式，它是一种系统级的封装，外观不外乎前面提到的这些封装形式，但内部可能包含多个芯片甚至无源元器件，采用的连接技术包括表面组装、倒装焊、金丝球焊等。1.片式元件封装形式的发展趋势
片式元件封装的发展方向主要是小型化，如图1-2所示，比如01005后又推出了公制的03015。图1-2 片式元件的发展趋势
目前供应量最大的是0603、0402、0201，在2017年日本电子展上，公制的03015（0.30mm×0.15mm）应用技术（包括焊膏、贴片）都已经成熟。2.半导体器件封装的发展趋势
半导体器件封装朝着高性能、多功能、小型化、低成本、高可靠方向发展，如图1-3所示。从单芯片到多芯片、从周边引出端到底部引出端，从而实现了多功能、高密度的封装。图1-3 半导体器件封装的发展趋势1.2.2 印制电路板技术的发展
印制电路板技术主要是在手机小型化、多功能化的驱动下发展的。其发展方向，简单讲就是：
● 更细的线路；
● 更小的孔；
● 更高的互联密度。
代表性的技术就是高密度互联（HDI）技术，手机板40%以上采用了全积层的 HDI 技术（也称任意层微盲孔技术），如图1-4所示。另外，印制电路板技术进一步融合了产品技术，如埋铜/嵌铜、埋置元件等，这些技术在通信产品上有比较多的应用，如图1-5和图1-6所示。这类印制电路板可以归类为特殊类别的印制电路板。图1-4 任意层HDI印制电路板图1-5 嵌铜/埋铜印制电路板图1-6 埋置元件印制电路板1.2.3 表面组装技术的发展
表面组装技术的发展方向，一个是无铅化；一个就是高密度组装。1.无铅化带来的变化（1）焊接温度提高。焊接温度提高使得焊接温度的工艺窗口减小，由有铅焊接工艺的50℃减小到15℃，如图1-7所示。除此而外，温度的提高，对焊膏的设计、元器件的湿度敏感度控制、加热时的变形都有影响。图1-7 焊接温度工艺窗口（2）焊料与PCB焊盘和元件电极（包括引脚和焊端的形式，以下提到电极时即指引脚或焊端）的表面处理多元化，出现了兼容性的问题。有铅工艺时代，PCB 焊盘的表面处理绝大部分是Sn-37Pb，而无铅工艺条件下，仅PCB使用的表面处理就有ENIG、OSP、Im-Ag和Im-Sn，元器件电极使用的镀层种类更多。这就有一个兼容性的问题，包括工艺的兼容性（如BGA焊球熔化与不熔化）、镀层的兼容性（如使用SnBi合金焊料时，元器件电极表面镀层中不能使用含Pb的成分）。（3）焊点的可靠性，缺乏可信的寿命数据。不同的机构所做的研究，其结果也是大相径庭，在很大程度上与封装对象、试验条件挂钩，可能没有一个简单的结论，要看具体的应用。这一点使得问题复杂化，打击了高可靠性产品的应用信心，像通信网络设备、军用电子设备、医疗与汽车电子产品等，人们对使用无铅工艺存在疑心。2.高密度组装的特征（1）元器件的引脚或焊端中心距越来越小。其本质就是焊盘尺寸越来越小，我们把这种微小焊盘的焊接称为“微焊盘”组装（以区别于以金丝球焊、倒装焊技术为代表的微组装）。小尺寸的焊盘，意味着模板开口尺寸变小，要求更薄的模板；印刷更少的焊膏量及提供更少的助焊剂总量；元器件封装更薄及更大的热变形。所有这些改变都会带来更多的焊接不良问题。（2）“混装”程度越来越高。这里提到的混装，主要指不同大小共面度元器件的混合安装，它们对焊膏的印刷厚度要求不同，这样会给模板的设计、组装密度带来影响。“微焊盘”及高密度“混装”，使得焊膏印刷成为难点，这是组装工艺目前乃至今后需要面对的主要挑战。1.3 表面组装基本工艺流程
表面组装印制电路板组件（Print Circuit Board Assembly,PCBA）的焊接，主要有再流焊接和波峰焊接两种工艺，它们构成了SMT组装的基本工艺流程。1.3.1 再流焊接工艺流程
再流焊接指通过熔化预先印刷在PCB焊盘上的焊膏，实现表面组装元器件焊端或引脚与PCB焊盘之间机械和电气连接的一种软钎焊工艺。1.工艺特点（1）焊料（以焊膏形式）的施加与加热分开进行，焊料的多少可控。（2）焊膏一般通过印刷的方式分配，每个焊接面只采用一张模板进行焊膏印刷。（3）再流焊炉主要的功能就是对焊膏进行加热。它对置于炉内的 PCBA 进行整体加热，在进行第二次焊接时，第一次焊接好的焊点会重新熔化。2.工艺流程
再流焊接工艺流程为印刷焊膏—贴片—再流焊接，如图1-8所示。图1-8 再流焊接工艺流程1.3.2 波峰焊接工艺流程
波峰焊接指将熔化的软钎焊料（含锡的焊料），经过机械泵或电磁泵喷流成焊料波峰，使预先装有元器件的 PCB 通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与 PCB 插孔/焊盘之间机械和电气连接的一种软钎焊接工艺。1.工艺特点（1）对PCB同时施加焊料与热量。（2）热量的施加主要通过熔化的焊料传导，施加到PCB上的热量大小主要取决于熔融焊料的温度和熔融焊料与PCB的接触时间（焊接时间）。（3）焊点的大小、填充性主要取决于焊盘的设计、孔与引线的安装间隙、孔壁与内层铜箔的连接。换句话来讲，就是波峰焊接焊点的大小与填充性主要取决于设计。（4）焊接 SMD 存在“遮蔽效应”，容易发生漏焊现象。所谓“遮蔽效应”，指片式 SMD的封装体阻碍焊料波接触到焊盘/焊端的现象。2.工艺流程
波峰焊接工艺流程为点胶—贴片—固化—波峰焊接，如图1-9所示。图1-9 波峰焊接工艺流程1.4 表面组装方式与工艺路径
表面组装方式指印制电路板组件（PCBA）上电子元器件在 PCB 两面的布局结构，它决定了PCBA组装时的工艺路径。
由于表面组装元器件与通孔插装元器件采用的焊接工艺不同，同时，PCBA在再流焊接时底面元器件的焊点也会熔化，加上重力的作用，焊点少又相对较重的元器件是不能布局在PCBA底面的。由于这些原因，PCBA两面的元器件布局不是任意的，必须遵守一定的规则，这就形成了特定的组装方式。
为了定义安装方式，首先定义PCBA的两面。在IPC-SM-782中对PCBA的两面进行了定义。通常，把安装元器件、封装类别比较多的面称为主装配面（Primary Side）；相反，把安装元器件、封装类别比较少的面称为辅装配面（Secondary Side），如图1-10所示。因为它们分别对应EDA叠板顺序所定义的Top面和Bottom面，也把它们简称为T面和B面。图1-10 PCBA安装面的定义
由于通常先焊接B面再焊接T面，因此，有时我们也将B面称为一次焊接面，T面称为二次焊接面。
根据元器件在PCB两面的布局结构，基本可以归为全表面组装和混合安装两大类，进而还可以细分为五小类，分别对应不同的工艺路径。它们是：（1）单面全表面贴装方式。（2）双面全表面贴装方式。（3）T面混装B面表面贴装（Ⅰ）—T面较多插装元器件，B面仅有可波峰焊接贴装元器件。（4）T面混装B面表面贴装（Ⅱ）—T面较多插装元器件，B面较多表面贴装元器件。（5）T面混装B面表面贴装（Ⅲ）—T面较少插装元器件，B面较多表面贴装元器件。
通常情况下，PCBA的设计首先要根据元器件的数量和种类确定合适的组装方式，也就是确定工艺路径；然后，再根据板面的组装工艺确定元器件的布局要求—位向、间距等。
组装方式与对应工艺路径如表1-2所示。表1-2 组装方式与工艺路径1.5 表面组装技术的核心与关键点
SMT 工艺工作的目标是制造合格的焊点，要获得良好的焊点，有赖于合适的焊盘设计、合适的焊膏量、合适的再流焊接温度曲线，这些都是工艺条件。使用同样的设备，有些厂家焊接的直通率比较高，有些则比较低，差别在于工艺不同，它体现在“科学化、精细化、规范化”上。比如，使用的焊膏、模板的厚度与开口设计、印刷支撑与参数调整、贴片程序设定、温度曲线设置，以及进炉间隔、装配时的工装配备情况等，这些往往需要企业用很长的时间探索、积累并规范化。而这些经过验证并固化的工艺方法、技术文件、工装设计就是“工艺”，它是SMT的核心。
按照业务划分，SMT工艺一般可分为工艺设计、工艺试制和工艺控制，如图1-11所示。其核心目标是通过合适焊膏量的设计与一致的印刷沉积，减少开焊、桥连、少印和移位的问题，从而获得预期的焊点质量。图1-11 工艺关键控制点
在每项业务中都有一组工艺控制点，其中焊盘设计、模板设计、焊膏印刷与PCB的支撑，是工艺控制的关键点。
随着元器件焊盘及间隔尺寸的不断缩小，模板开口的面积比及印刷时模板与PCB的间隙越来越重要。前者关系到焊膏的转移率，而后者关系到焊膏印刷量的一致性及印刷的良率。
为了获得75%以上的焊膏转移率，根据经验，一般要求模板开口与侧壁的面积比大于等于0.66；要获得符合设计预期的、稳定的焊膏量，印刷时模板与PCB的间隙越小越好。要实现面积比大于等于0.66，不是一件困难的工作，但是要消除模板与PCB的间隙却是一件非常困难的工作。这是因为模板与PCB的间隙与PCB的设计、PCB的翘曲、印刷时PCB的支撑等很多因素有关，有时受制于产品设计和使用的设备是不可控的，而这恰恰是精细间距元器件组装的关键。像0.4mm引脚间距的CSP、多排引脚QFN、LGA、SGA的焊接不良几乎100%与此有关。因此，在先进的专业代工厂，发明了很多非常有效的PCB支撑工装，用于矫正PCB的桥曲，保证零间隙印刷。1.6 表面组装元器件的焊接
电子组装采用的是软钎焊技术，软钎焊原理讨论的是焊点的合金熔化与再结晶、焊接界面的反应（润湿、扩散和合金化）课题，即冶金原理，与之有关的焊接不良包括冷焊、不润湿、半润湿、渗析、过量的金属间化合物；而元器件的焊接讨论的是元器件封装级别多个焊点的焊接课题，焊接不良多与焊点形态有关，包括立碑、偏移、芯吸、桥接、空洞、开路、锡球、锡珠、飞溅物等。两者讨论的对象不同，工艺原理也不同。
单个焊点的形成，已经从被焊接镀层、助焊剂方面得到了足够的保障，我们了解焊接原理主要是“知其然”，以便制定这些材料的评价方法与标准，帮助我们分析焊接遇到的润湿、芯吸和渗析等问题，了解提升可靠性的方法。如果仅焊接只有一个引脚的元器件，焊接不会有太多的问题，但是，对于多引脚、热变形的表面贴装元器件而言，焊接就会有很多的问题。事实上，我们遇到的绝大部分焊接不良都是元器件级别的，如桥连、开焊、移位、立碑等。
元器件级别的焊接，很大程度上取决于元器件的封装结构（如电极间距、电极布局、封装厚度）、对湿度的敏感性、焊盘设计和焊膏分配。元器件的焊接属于多点并受封装热变形影响的焊接。由于每类封装的结构不同，因而形成了各自独有的工艺特性，也导致了生产中出现的焊接不良现象不同，如片式元器件主要问题是立碑和移位，BGA 焊接主要问题是球窝和开焊，QFP焊接主要问题是桥连和开焊，QFN主要问题是桥连、虚焊和空洞等。掌握各类封装的工艺特点，是工艺设计、工艺优化的基础。下面举两个例子予以说明：案例1 QFN的桥连
QFN封装，中间有一个大的散热/接地焊盘。为了减少散热焊盘焊缝中的空洞尺寸和数量，往往采用格栅状焊膏印刷图形。这样，散热焊盘上焊膏的覆盖率就会低于100%，多数情况下只有30%～50%。这意味着QFN底部焊料熔化后会向下塌落（焊缝高度取决于散热焊盘，因为其面积远大于周边焊盘的面积总和），如图1-12所示。这会引起周边焊点熔融焊料的压挤效应，结果就可能导致周边相邻焊点的桥连，特别是双排QFN内圈的焊点，这就是QFN桥连产生的机理。图1-12 QFN焊接工艺原理案例2 BGA的球窝与开焊
BGA，特别是塑封BGA，由于尺寸大、层结构，在再流焊接的焊接加热阶段，会发生由“哭脸”向“笑脸”的翘曲变形，如图1-13所示。这将引发BGA焊球与焊膏的分离—产生间隙，最终导致球窝或开焊现象的发生。从图中可以看到，BGA 在室温时中心上弓（所谓的“哭脸”），随着温度升高逐渐变平。温度一旦超过封装铸塑时的温度（通常在150℃左右）,BGA四角开始上翘（所谓的“笑脸”），角部、边上的焊球逐渐与PCB拉开距离，这是导致焊接出现球窝、开焊等不良现象的常见原因。在此阶段，焊球与焊膏分离，助焊剂无法去除分离的焊球表面的氧化物，而焊剂随着时间的延长也逐渐失去活性（反应消耗、挥发与分解）。随着温度的进一步升高，焊膏熔化，BGA 塌落。这时即使熔融焊球与焊料接触，也会因焊球表面较厚的氧化层而不能很好地融合在一起，最终导致球窝缺陷。BGA 焊接的这个例子，很好地诠释了焊点形成与封装焊接的不同。图1-13 BGA焊接过程的热变形情况1.7 表面组装技术知识体系
表面组装技术的核心目的就是实现表面组装元器件与PCB的可靠连接，简单讲就是焊接。什么样的焊点是符合要求的？要获得良好的焊点需要什么样的工艺条件？什么样的设计与工艺条件可以获得高的直通率？这些都是表面组装技术要研究的内容。要弄明白这些问题，必须了解和掌握完整的电子制造工艺知识，包括钎焊原理、SMT工艺原理及焊点失效分析技术。
焊接是表面组装的核心，了解钎焊的原理对于理解和优化焊接的工艺条件很重要。与之有关的基本概念包括表面张力、润湿、扩散、金属间化合物、可焊性等。
焊点的可靠性取决于焊点的界面金属间化合物的厚度、形貌及合金的金相组织，而金相组织取决于焊料合金的成分与工艺条件。学习钎焊原理，就是要了解焊点的微观组织的形成过程与条件，了解合金的成分对焊点组织的作用，帮助我们优化焊点的机械性能、抗疲劳性能，选用合适的焊料合金。我们必须清楚，焊点的疲劳失效除了与应力环境、CTE 的匹配性有关外，还与焊点的微观组织有关，这是我们选择学习钎焊原理的原因。很多专业书籍不厌其烦地介绍焊点的微观组织，就是希望读者了解焊点的微观组织与性能的关系，能够进行焊点的失效分析。
SMT 工艺，简单讲就是焊膏印刷、贴片、再流焊接三个工序。实际上与之有关的工艺控制点多达四五十项，包括元器件来料检验、储存、配送，PCB 的来料检验、储存、配送，车间的温/湿度管理、防静电管理，焊膏/焊剂的性能评估、储存和使用，模板的设计与检验，焊膏印刷参数的设置与支撑，贴片，再流焊接温度测试与设置，在线检查等，是非常复杂、系统化的工程技术。这些工艺控制点通常细化到岗位，目标、做法和要求都非常具体，在工厂以作业指导书的形式编制。这是企业制造技术的核心资产与技术要点，体现了企业的工艺技术水准与管理水平。学习SMT工艺原理，就是为了不断优化这些作业指导书，使之“简明、科学、高效”。
虽然制造工程师不一定要具备操作各种失效分析仪器的能力，但必须了解主要的分析手段、原理及用途，能够明白分析的要求并看懂分析的结果。因此，学习一点失效分析技术对工艺工程师进行焊点的失效分析而言是必需的。
图1-14列出了SMT知识体系，目的是希望读者清楚SMT的知识范围，了解哪些知识需要掌握，做到“应知应会”，成为电子制造方面训练有素的工程师。图1-14 SMT知识体系第2章 焊接基础2.1 软钎焊工艺
电子组装焊接采用的是软钎焊工艺，是用熔融的填充金属（焊料）使接合点表面润湿且在两个金属部件之间形成冶金的键合。在钎焊工艺中，把焊料熔点低于450℃的归为软钎焊，高于450℃的归为硬钎焊。软钎焊是电子制造最主要的连接技术，包括现代电子工业的l级（IC封装）和2级（电子元器件组装到印制电路板上）封装工艺。
钎焊工艺不同于熔焊工艺。熔焊工艺是通过加热、施加压力，或者两者都有，把被焊接材料融合在一起。熔焊时可以使用也可以不使用填充材料，将熔焊部位几种母体金属在塑性状态或液态时熔合在一起。与之相反，钎焊只能在填充材料，即焊锡的帮助下才能完成。液态的焊锡注入两个母体金属之间，这两个母体金属本身都没有熔融，形成连接是润湿/扩散的结果。钎焊与熔焊的区别如图2-1所示。图2-1 钎焊与熔焊的区别2.2 焊点与焊锡材料
焊点与焊锡材料是有区别的。焊点和焊锡材料的微观结构分别由各自的组成元素决定，但是在形成焊点的界面时，PCB 焊盘和元器件引脚或焊端中的元素会自然地进入焊点中，影响焊点的微观结构—镍基焊盘界面上的63Sn37Pb焊点的微观结构与铜基焊盘界面焊点上的微观结构是不一样的。从应用和可靠性的角度看，必须考虑焊点的微观结构，而焊点包括焊锡部分（焊料部分）、焊锡与元器件引脚或焊端的界面、焊锡与 PCB 焊盘的界面三部分，如图2-2所示。图2-2 焊点2.3 焊点形成过程及影响因素
电子产品的焊接是通过加热和助焊剂的应用，将助焊剂活化，去除被焊接表面的氧化膜，使焊料液化并完成润湿与扩散过程，形成焊点。具体讲，焊点的形成包括两个过程：（1）焊料的熔化与再结晶。（2）焊料在基底金属（如Cu）表面的润湿、基底金属的溶解与扩散、界面反应并形成金属间化合物（IMC），如图2-3所示。通常所讲的焊接工艺主要指这个过程。图2-3 焊点的形成过程
焊点的形成涉及被焊接金属（及其可焊性）、焊料合金、助焊剂和加热等四方面，通常将其称为影响焊接的四大因素，它们之间的关系与作用如图2-4所示。图2-4 影响焊接的四大因素
加热使助焊剂活化、焊料润湿被焊接金属表面，形成焊点。不管是再流焊接、波峰焊接，还是烙铁焊接，加热都是最重要的工艺条件，它必须满足两个相互矛盾的要求：（1）焊接表面必须足够的热以便使焊料润湿；（2）被焊接元件不能热到它们损坏的温度。
助焊剂具有清除被焊接表面氧化物和防止被焊接金属表面再次氧化两个重要的功能。它是熔融焊料能够润湿被焊接表面的主要原因，也是影响焊点形状的重要因素。实际焊接工程中，发生不润湿、弱润湿、不熔锡等现象，除了与被焊接表面本身的可焊性不良有关外，还与助焊剂的去氧化和防止再氧化能力有关。
上述四大因素将在后续有关章节中讨论。2.4 润湿
润湿，在IPC-T-50中的定义是“焊料在金属基底上形成相对均匀、光滑、连续的附着膜”，表示液态焊料和被焊接零部件（PCB 焊盘和元器件电极）表面之间发生了特殊的相互作用，它是实现焊接的基本条件。当把一片固态金属浸入液态焊料槽时，金属片和液态焊料之间就产生了接触，但这并未自动地润湿，因为有可能存在着阻挡层。图2-5所示为铜片润湿试验，铜片是否被焊料润湿，只有把铜片从焊料槽中抽出来才能观察到。图2-5 铜片润湿试验
润湿只发生在焊料能够和固态金属表面紧密接触时，这时才能保证足够的吸引力。如果被焊接金属表面上有任何附着的污物，如氧化层，都会成为妨碍润湿的阻挡层，如图2-6所示。在被污染的表面上，一滴焊料的表现和沾污了油脂的平板上一滴孤立水滴的表现是一样的。图2-6 在氧化了的平板上的焊料液滴无法润湿
如果焊接温度过低，就会得到在基底金属和焊料之间仍然有氧化层存在的焊点，这种焊点通常称为冷焊点，它也是虚焊点的一种。这种焊点的导电性相当差，因为电流需要通过绝缘的氧化膜；附着力也很差，使用中会因应力（如热应力、机械应力）而断开。在手机制造中，经常会利用氧化层导电性差的特性检测BGA类封装的球窝不良（HoP或HiP，见11.4.3节）。
如果表面是清洁的，焊料会铺展表面，这种情况如图2-7所示。焊料的原子能够和基体原子非常接近，因而在彼此相吸的界面上形成合金，称为金属间化合物（IMC）。这种合金保证了良好的电接触和附着力。焊料和基底金属一旦在界面上形成了金属间化合物，以后就再也回复不到润湿前的那种状态了。这一点非常重要，提示我们，诸如BGA那样的封装，在再流焊接过程中，首先必须确保熔融焊料润湿被焊接金属表面。一旦此过程完成，封装的变形就不会对焊点的形成造成影响。图2-7 在清洁表面上的液态焊料铺展现象
焊料润湿是一个非常重要的概念，对焊点的形成、形状与可靠性至关重要，实际上润湿性也是软钎焊过程中屈指可数的可用数字表达的重要参数之一。焊接中决定润湿的首要因素是Sn 本身的表面张力，它是决定润湿现象的主要推动力。其他的影响因素还包括焊接的温度、金属溶解度、在焊料与金属基底之间的化学反应及基底金属与焊料的表面氧化状况。焊料与电极的润湿机理可用图2-8表达。图2-8 焊料与电极的润湿机理
下面简要介绍一下影响焊料润湿的主要因素。2.4.1 焊料的表面张力
为了能够进行焊接，焊接材料首先必须加热到熔融状态，然后熔融的焊料会润湿基底金属表面，类似于任何其他的润湿现象。在基底金属上液态焊料的润湿必须符合界面张力的物理平衡规则，它们的关系可由下式表达（式中意义参见图2-25所示，注意焊点表面覆盖助焊剂，这点有所不同）：slslγ=γ+γ×cosθs
式中 γ —基底金属和助焊剂流体之间的界面张力；ls
γ—熔化焊料与基底金属之间的界面张力；l
γ —熔化焊料与助焊剂流体之间的界面张力；
θ—液态焊料和基板之间的接触角。
这个公式称为杨氏方程，其意义见2.6节。从杨氏方程可知，当slsl接触角伸展到某一θ 值时，γ和（γ+γ×cosθ）这两个矢量力达到平衡，在固体表面上的液体扩散达到了平衡稳定状态。
在电子工业焊接的应用中，我们所期望的焊点要有好的焊缝形状，这样可以减小应力集中。为了达到此目的，焊料扩散需要一个小的θ 值。采用化学和物理方法，两者都可获得小的θ 值。物理方法是在焊接过程中，处理所要焊接材料的表面张力。原则上采用低表面张力的助焊剂、高表面张力即高表面能的基板及低表面张力的焊料，这些都支持小的接触角θ 的形成。2.4.2 焊接温度
焊接温度对润湿性有很大影响。一般在不发生氧化的气氛下，温度越高润湿性越好，这与表面张力和界面反应有关。
对于纯金属，表面张力与温度关系如下式所示，大致呈现线性的下降关系：mγ=A-B·T
式中，A、B为材料常数；T为温度。
对于合金材料将会是如图2-9所示的有拐点的曲线。图2-9 60Sn40Pb合金表面张力随温度的变化2.4.3 焊料合金元素与添加量
合金元素的种类和添加量对润湿性的影响也很大。图2-10所示是 Sn-Pb、Sn-Bi、Sn-Sb二元合金的表面张力与组分的关系，这些焊料的表面张力都会随合金元素含量的增加而减小。但Cu、Ag、P等元素的添加却没有取得一样的结果。另外，Zn元素会使润湿性明显下降，这可能因为Zn的氧化带来的影响比较大。图2-10 焊料合金组分对表面张力的影响
Sn 的氧化膜非常致密，即使在真空中也不能忽略其对润湿性的影响。工业生产中的焊接一般都是短时间内在大气中进行，为除去Sn的氧化膜，一般都使用助焊剂。助焊剂活性越高，氧化控制得越好，润湿性越好。在使用助焊剂后润湿性仍然达不到要求的情况下，可以采用氮气等惰性气体或氢气等还原性气体进行焊接。氢气只有在高温下才能发挥还原作用，低温下可以使用甲酸气体。
PCB和元器件电极表面的表面处理工艺和状态对润湿性能也有很大的影响。图2-11（a）对比了Cu基Im-Sn（浸锡）和OSP两种表面处理工艺在100℃时效1h后的润湿性（2s）变化情况。OSP处理的样品其润湿性随着温度的上升而降低，推测是因为OSP在温度超过100℃时产生分解，氧化开始进行。与此相反，Im-Sn处理的样品没有氧化迹象。另外，PCB和元器件的保存环境对润湿性也有很大的影响，如图2-11（b）所示，湿度升高能够促进 Sn 氧化膜的生长，造成润湿性下降。这就是我们在做可焊性试验时采用蒸汽老化的原因。图2-11 老化对润湿性（浸润2s后润湿力）的影响2.4.4 金属在熔融Sn合金中的溶解率
在金属基板上熔化焊料的润湿还不足以形成冶金的键合。要获得良好的焊点，这种键合是必需的。为了形成冶金键合，焊料和固体金属必须在原子级别上混合。
电子元器件的焊接，不仅温度比较低，而且焊接的时间也短，经常不超过几秒（如烙铁焊接、波峰焊接），最多也就百十秒。这是由于材料的限制和生产效率方面的考虑，所以基底金属要能容易和快速地溶入焊料。在过去几十年里，普遍选用锡-铅系统焊料，可接受的基底金属或金属涂层有（但不限于）：锡、铅、铋、金、银、铜、钯、铂和镍等。一些金属涂层在60Sn/40Pb中的溶解率dC/dt是温度的函数，如图2-12所示，Arrhenius做了相关的描述：d C/d t∝exp[-E/（kT）]
式中，C是基底金属的浓度；E是活化能量；k是玻尔兹曼常数；T是温度（开氏温度）。基底金属在焊料中的溶解率也是时间的函数：sdC/dt=KA（C-C）/Vs
式中，C是基底金属的浓度；C是给定的温度下，在熔融的焊料中的溶解金属的浓度阈值；t是时间；K是溶解率常量；A是润湿表面面积；V是熔化的焊料体积。由此公式推出，C与t的关系如图2-13所示。C到达平衡浓度时与t成反指数关系。
基底金属进入焊料的溶解率并不仅仅是时间、温度、基底金属类别的函数，也是焊料合金类别的函数。
大体上说，金属涂层的可润湿性随着其在焊料中溶解率的增加而增加。由于这点我们可以用工艺参数来控制溶解率。
虽然基底金属的溶解率是形成冶金键合的要素，但太快的溶解率会导致严重的浸析问题，从而损伤冶金键合。另外，也会引起焊料成分的重大变化，从而造成焊点可靠性的下降。这种情况并不是我们想要的。图2-12 在60Sn/40Pb中的溶解率与温度的关系图2-13 基底金属浓度C与时间t的关系2.4.5 金属间化合物
金属间化合物（Intermetallic Compound,IMC）是指由两个或更多的金属组元或类金属组元按比例组成的具有金属基本特性和不同于其组元的长程有序晶体结构的化合物，如图2-14所示。
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