1、什么是回流焊回流焊是英文Reflow是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。回流焊是将元器件焊接到PCB板材上，回流焊是对表面帖装器件的。回流焊是靠热气流对焊点的作用,胶状的焊剂在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接；之所以叫'回流焊'是因为气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的。回流焊原理分为几个描述：首先回流焊炉分为四个区：
1.升温区A（预热区)2.预热恒温区B（预热区)3.回流焊接区C(回温区）4.冷却区D
A↓.当PCB进入升温区时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，同时，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚，焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元器件引脚与氧气隔离。B↓.PCB进入保温区时，使PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件。C↓.当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡对PCB的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点。D.PCB进入冷却区，使焊点凝固此；时完成了回流焊。
9种回流焊工艺发展介绍
由于电子产品不断小型化的需要，出现了片状元件，传统的焊接方法已不能适应需要。首先在混合集成电路组装中采用了回流焊工艺，组装焊接的元件多数为片状电容、片状电感，贴装型晶体管及二极管等。随着SMT整个技术发展日趋完善，多种贴片元件（SMC）和贴装器件(SMD)的出现，作为贴装技术一部分的回流焊工艺技术及设备也得到相应的发展，其应用日趋广泛，几乎在所有电子产品领域都已得到应用，而回流焊技术，围绕着设备的改进也经历以下发展阶段。
这类回流焊炉依靠传送带或推板下的热源加热，通过热传导的方式加热基板上的元件，用于采用陶瓷（Al2O3）基板厚膜电路的单面组装，陶瓷基板上只有贴放在传送带上才能得到足够的热量，其结构简单，价格便宜。我国的一些厚膜电路厂在80年代初曾引进过此类设备。
此类回流焊炉也多为传送带式，但传送带仅起支托、传送基板的作用，其加热方式主要依红外线热源以辐射方式加热，炉膛内的温度比前一种方式均匀，网孔较大，适于对双面组装的基板进行回流焊接加热。这类回流焊炉可以说是回流焊炉的基本型。在我国使用的很多，价格也比较便宜。
这类回流焊炉是在IR炉的基础上加上热风使炉内温度更均匀，单纯使用红外辐射加热时，人们发现在同样的加热环境内，不同材料及颜色吸收热量是不同的，即（1）式中Q值是不同的，因而引起的温升ΔT也不同，例如IC等SMD的封装是黑色的酚醛或环氧，而引线是白色的金属，单纯加热时，引线的温度低于其黑色的SMD本体。加上热风后可使温度更均匀，而克服吸热差异及阴影不良情况，IR+Hotair的回流焊炉在国际上曾使用得很普遍。
通孔回流焊有时也称作分类元件回流焊，正在逐渐兴起。它可以去除波峰焊环节，而成为PCB混装技术中的一个工艺环节。一个最大的好处就是可以在发挥表面贴装制造工艺的优点的同时使用通孔插件来得到较好的机械联接强度。对于较大尺寸的PCB板的平整度不能够使所有表面贴装元器件的引脚都能和焊盘接触，同时，就算引脚和焊盘都能接触上，它所提供的机械强度也往往是不够大的，很容易在产品的使用中脱开而成为故障点。尽管通孔回流焊可发取得偿还好处，但是在实际应用中仍有几个缺点，锡膏量大，这样会增加因助焊剂的挥了冷却而产生对机器污染的程度，需要一个有效的助焊剂残留清除装置。另外一点是许多连接器并没有设计成可以承受回流焊的温度，早期基于直接红外加热的炉子已不能适用，这种炉子缺少有效的热传递效率来处理一般表面贴装元件与具有复杂几何外观的通孔连接器同在一块PCB上的能力。只有大容量的具有高的热传递的强制对流炉子，才有可能实现通孔回流，并且也得到实践证明，剩下的问题就是如何保证通孔中的锡膏与元件脚有一个适当的回流焊温度曲线。随着工艺与元件的改进，通孔回流焊也会越来越多被应用。
特殊的炉子已经被开发出来处理贴装有SMT元件的连续柔性板。与普通回流炉最大不同点是这种炉子需要特制的轨道来传递柔性板。当然，这种炉子也需要能处理连续板的问题。对于分离的PCB板来讲，炉中的流量与前几段工位的状况无依赖关系，但是对于成卷连续的柔性板，柔性板在整条线上是连续的，线上任何一个特殊问题，停顿就意味着全线必须停顿，这样就产生一个特殊问题，停顿在炉子中的部分会因过热而损坏，因此，这样的炉子必须具备应变随机停顿的能力，继续处理完该段柔性板，并在全线恢复连续运转时回到正常工作状态。
本文以最常用的无铅锡膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5锡银铜合金为例，介绍理想的回流焊温度曲线设定方案和分析其原理。如图一：
图一SAC305无铅锡膏回流焊温度曲线图
通常人们的直觉认为应该缓慢降温，以抵消各元器件和焊点的热冲击。然而，回流焊锡膏钎焊慢速冷却会形成更多粗大的晶粒，在焊点界面层和内部生较大Ag3Sn、Cu6Sn5等金属间化合物颗粒。降低焊点机械强度和热循环寿命，并且有可能造成焊点灰暗光泽度低甚至无光泽。3、回流焊技术有那些优势？1）再流焊技术进行焊接时，不需要将印刷电路板浸入熔融的焊料中，而是采用局部加热的方式完成焊接任务的；因而被焊接的元器件受到热冲击小，不会因过热造成元器件的损坏。2）由于在焊接技术仅需要在焊接部位施放焊料，并局部加热完成焊接，因而避免了桥接等焊接缺陷。3）再流焊技术中，焊料只是一次性使用，不存在再次利用的情况，因而焊料很纯净，没有杂质，保证了焊点的质量。4、回流焊的注意事项
二、回流焊接中的三个典型缺陷
1）爆板
2）空洞
3）球窝
二、再流焊接中的三个典型缺陷之一—爆板
2.1再流焊接中的爆板现象
2.1.1爆板的定义
⑴定义：在再流焊接(特别是无铅应用)过程中，发生在HDI积层多层PCB第二次压合的PP层和次层（L2）铜箔棕化面之间的分离现象，我们将其定义为爆板。如图1.1-1.2所示。
图1.1爆板位切片（1）
都被拉裂。图1.2爆板位切片（2）
从切片分析，爆板的位置均发生在L1-L2层埋孔密集的区域；没有发现杂物或其他异常情况；切片显示板件发生爆板非常猛烈，有些第二层线路都被拉裂。
2.1.2影响爆板的因素
⑴有挥发物的形成源是产生爆板的必要条件
①吸湿问题
下面通过水在PCB中的存在形式，水汽扩散的途径和水蒸汽压力隨温度的变化情况，来揭示水汽的存在是导致PCB爆板的首要原因。
PCB中的水分主要存在于树脂分子中，以及PCB内部存在的宏观物理缺陷(如空隙、微裂纹)处。环氧树脂的吸水速率和平衡吸水量，主要由自由体积和极性基团的浓度决定。自由体积越大，初期的吸水速率就越快，而极性基团对水具有亲和性，这也是环氧树脂具有较高吸水量的主要原因。极性基团的含量越大，平衡吸水量也就越大。综上所述，环氧树脂初期的吸水速率是由自由体积决定的，而平衡吸水量则是由极性基团的含量来决定。
一方面，PCB在无铅再流焊接时温度升高，导致自由体积中的水和极性基团形成氢键的水，能够获得足够的能量在树脂内做扩散运动。水向外扩散，并在空隙或微裂纹处聚集，空隙处水的摩尔体积分数增加。
另一方面，随着焊接温度的升高，使水的饱和蒸汽压也同时升高，如表1.1所示。
表1.1水蒸汽的蒸汽压
由表6.1可见，在224℃时水蒸汽的饱和蒸汽压为2500kPa；在250℃时水蒸汽的饱和蒸汽压为4000kPa；而当焊接温度升到260℃时，水蒸汽的饱和蒸汽压甚至达到5000kPa。当材料层间的粘合强度低于水汽产生的饱和蒸汽压时，材料即发生爆板现象。因此，焊接前的吸潮是PCB发生分层、爆板的主要原因之一。
②存贮和生产过程中湿汽的影响HDI积层多层PCB是属于潮湿敏感部件，PCB中水的存在对其性能有着异常重要的影响。例如：
(a)存放环境的湿汽会使PP(半固化片)的特性发生明显的变化；
(b)在无防护情况下，PP极易吸潮，图1.3示出了PP在相对湿度为30%、50%、90%条件下存放时的吸湿情况；
表1.2真空包装与无真空包装吸水率的比较
c)湿汽主要是入侵树脂体系中各种不同物质之间的界面，存在着水对界面的冲击。
③吸潮的危害
(a)使PP的挥发物含量增加。
(b)水分在PP树脂中存在，减弱了树脂分子间的交联，造成板的层间结合力下降，板的耐热冲击能力削弱。多层板在热油或焊料浴、热风整平中易发生白斑、鼓泡、层间分离等现象。
⑵PP与铜箔面粘附力差是产生爆板的充分条件①现象描述从切片分析可知，爆板位置均在二次压合pp和銅箔接触面(棕化面)之间，压合叠层结构如图1.4所示。
图1.4HDI积层多层板无铅再流中爆板常发位
铜在金属状态时是一种非极性物质，因此许多粘合剂对铜箔的粘附力极小。铜箔表面若不经过处理，即使使用性能优良的粘结剂也不能使其具有充分的粘附力和耐热性。
早期对铜箔表面进行棕化处理方法是：通过化学处理使铜箔表面形成红褐色的氧化亚铜(Cu2O)。它与树脂层压基材板粘结时，虽然常温时粘附力增加了，但在200℃附近会产生剥离。这是由于Cu2O对热不稳定，经过加热与铜箔之间产生剥离。
60年代日本东芝公司的研究者们发现，用特殊的化学溶液处理后，在铜箔表面形成的黑色天鹅绒状薄膜(CuO)，结晶较细密，且能牢固地粘附在铜箔表面上，热稳性也很好，这就是后来普遍使用的黑化工艺。
90年代中期，欧、美等使用一种新型多层板内层导电图形化学氧化的新型棕化工艺，取代传统的黑化工艺，已在业界普遍使用。
②棕化增强粘附力作用机理
新型棕化工艺，其化学反应机理是：
2Cu+H2SO4+H2O2+nR1+nR2→CuSO4+2H2O+Cu(R1+R2)图1.5基板銅箔棕化后SEM图(×3000)
在棕化槽内，由于H2O2的微蚀作用，使基体铜表面形成凹凸不平的微观结构，故能得到相当于6～7倍未处理过的平滑铜表面的粘合面积。同时在基体铜上沉积一层薄薄的与基体铜表面通过化学键结合的有机金属膜，基板铜面棕化的SEM图，如图1.5所示。且粘合剂进入凹凸部后，也增加了机械啮合效果。
图1.5基板銅箔棕化后SEM图(×3000)
③影响棕化效果的因素
棕化质量和效果，处决于其工艺过程参数控制的精细化，例如：
(a)选择配方先进的药水：
表1.3耐再流焊接试验
使用Atotech药水棕化层粗糙度大，棕化层結合力可以耐受12次无铅再流温度不爆板。
(b)加强生产过程中槽液成分的监控。(c)棕化(或黑色氧化铜)膜厚度：棕化(或黑色氧化铜)膜与PP的粘结强度、耐酸碱性、耐电晕及耐高温等性能与其膜的结构和厚度有关。但也并非愈厚粘结强度愈高。(d)棕化层受污染及工艺错误：在一个爆板质量案例中，剥开发生爆板的部位，发现棕化层有受污染迹象，树脂与受污染的棕化层完全分离，如图1.6中红圈所示。
图1.6棕化面被污染
导致污染部分的棕化层与pp片在层压后未能有效粘合，PCB板在后续SMT装配中发生起泡。经过调查，高Tg材料误用普通材料的程序进行压板，固化，也是造成最外层铜箔与pp片结合力不良的原因之一。
⑶再流温度选择不合适是爆板的诱发因素①温度对爆板的诱发作用通过对爆板发生模式的充分和必要条件的分析，可以知道它们都是温度的函数。多层板中可挥发物的数量及其膨胀压是随再流焊接温度的增高而增大的，而棕化层和PP之间的粘附力则是随温度的升高而减小的。显然潜伏爆板的充分及必要条件必需要借助温度这一因素来诱发。基于对具体产品特点的综合性分析来优化再流焊接温度曲线，对抑制爆板现象的发生是有效果的。②如何根据产品特点优化再流焊接温度(a)美国微电子封装专家C.G.Woychik指出：“使用通常的SnPb合金，在再流焊接时元器件和PCB板所能承受的最高温度为240℃。而当使用SnAgCu(无铅)合金时，JEDEC规定最高温度为260℃。温度提高了，就可能危及电子封装组装的完整性。特
别是对许多叠层结构材料易使各层间发生脱层，尤其是那些含有较多潮气的新材料。内部含有潮气和温度的升高相结合，将使所用的大多数常用的叠层板(HDI积层多层PCB板)发生大范围的脱层”。(b)美国电子组装焊接专家J.S.Hwang在其撰写的“电子组装制造中的焊接材料和工艺”一书中也有这样的描述：“考虑到现有无铅材料的熔点温度高于SnPb共晶材料的熔点温度(183℃)，为了将再流焊温度降到最低程度，一条合适的再流焊接温度分布曲线显得特别重要。他还指出：根据目前生产条件所限制，如现有的SMT生产企业和基础设施包括元器件和PCB所具有的温度特性等，无铅再流焊接峰值温度应该保持在235℃。经过综合分析，在HDI积层多层PCB板的无铅再流焊接中，当使用SnAgCu焊料合金时，峰值温度建议取定在235℃，最高不要超过245℃。实践表明，釆取此措施后，对爆板的抑制效果非常明显。
⑷可挥发物逃逸不畅是爆板的助长因素
从切片分析看，爆板位置几乎都是发生在埋孔的上方覆盖有大面积铜箔的部位，如图1.7所示。
图1.7爆板的位置特征
这种设计的可制造性确实有问题，主要表现在下述几个方面：
⑴焊接受热后对积聚在埋孔和层间内的可挥物(如湿气等)的排放不利；
⑵加剧了在再流焊接时板面温度分布的不均衡性；
⑶不利于消除焊接过程中的热应力，容易形成应力集中，加剧了HDI积层多层PCB内层层间的分离。
显然，HDI积层多层板产品的图形设计不合理，助长了无铅制程中爆板现象的发生。
2.1.3爆板发生的机理⑴爆板发生的机理根据上述对爆板现象特征分析和归纳，我们可以按下述物理模式来研究和分析爆板发生的物理过程。①在工作环境温度不大高的情况下，多层板L1-L2之间的粘结情况良好，如图1.8示。
图1.8正常HDI积层多层板的切片
②随着对其加热升温过程的进行，埋孔及内层的可挥发物(包含湿气)不断排出，如图1.9所示。
③排出的可挥发物气体在埋孔口与PP(粘结片)之间集聚，如图1.10所示。
图1.9在再流升温过程中可挥物受热膨胀
图1.10可挥发物在埋孔口和L1之间积聚
④随着温度的继续升高，集聚在埋孔口附近的气体愈积愈多，形成很大的膨胀压，使得L2的棕化面和PP之间受到一个使其分离的膨胀力。如图1.11示。
图1.11强大的膨胀压导致爆板的发生
图1.12点状爆板现象
图1.13点状爆板的外观
⑥当最终形成的膨胀压(f)大于棕化面与PP之间的吸附力(F)时(f＞F)，则沿L2棕化面与PP之间便发生分离，出现如图1.14那种明显的块状的起泡分层现象。
在PCB受热的同时，其中一部分自由体积的水可以通过微孔状的PCB基材散失出去，从而减少了可能在空隙或微裂纹处聚集的水的摩尔体积分数，有利于PCB的爆板情况的改善。但是如果PCB表面有大面积的铜箔图形覆盖，则在PCB受热时，埋孔上方的大铜箔面挡住了受热后向外逸出的水汽，使微裂纹中水汽的压力升高，导致发生爆板的几率大大增加。
图1.14块状起泡切片
具体影响PCB受热爆板的因素，可归纳如图1.15所示。
图1.15影响PCB受热分层、爆板的因素
2.1.4预防爆板的对策
⑴根除爆板发生的必要条件
·严格控制PCB成品的仓库存放条件，特别是在阴雨天气，要适时增加抽湿机的功率来控制仓库的湿度；
⑷优化再流焊接的峰值温度在确保良好润湿的条件下，尽适当地降低再流的峰值温度。
二、再流焊接中的三个典型缺陷之二—空洞
2.2空洞现象
2.2.1空洞的分类和特征
再流焊接的空洞缺陷最集中发生在PBGA、CSP类芯片的再流焊接工艺之中，为了便于分析，根据焊球中空洞的位置，我们将PBGA在再流焊接过程中所发生的空洞现象分为以下几类。
⑴芯片侧界面空洞（A类）
这类空洞是指PBGA、CSP在系统组装再流焊接过程中，在芯片界面上所存在和发生的空洞。我们将其取名为芯片侧界面空洞。这种空洞可能是由原有的封装界面空洞，在板级组装过程中发展和扩大而成，如图1.16（a）所示。也可能是在系统组装中新形成的，如图1.16（b）（c）所示。
图1.16A类空洞
⑵PCB侧界面空洞（B类）这类空洞是指PBGA、CSP再流焊接过程中发生在与钎料球和PCB界面直接连通的空洞，我们称之为组装界面空洞，如图1.17所示。
图1.17B类空洞
⑶焊球内部空洞（C类）
PBGA、CSP在板级系统组装再流焊接过程中，我们将在钎料球内部所形成的且不与界面直接连通的空洞，定义为钎料球内部空洞。如图1.18所示。
这类空洞通常是PBGA、CSP在再流焊接过程中，由于熔融钎料在固化过程中截留了助焊剂的挥发物而形成的。通常这类空洞若未受到外部因素的影响，其尺寸都比较小。由于空洞内的气体受垂直方向的压迫力较大，因此，其形状大多都呈横向椭球形。
⑷盲孔空洞（D、E类）PBGA、CSP在板级组装过程中形成的与盲孔相连通的空洞，其形成原因是：·在印刷焊膏和贴装BGA过程中，焊膏底部的盲孔内截留了气体。在再流焊接过程中，截留的气体和焊膏中的可挥发物逸散通道不畅，导致D类空洞的形成。如图1.19所示。
图1.19D类空洞
图1.20E类空洞
D和E类空洞外部形状大多呈上圆下尖的泪滴形。
2.2.2空洞的形成机理
⑴可挥发物是产生空洞的必备条件
目前业界普遍认为，产生空洞的主要原因是在最初印刷焊膏和贴装PBGA、CSP过程中，焊膏底部截留了气体。在再流焊接过程中，截留的气体和焊膏中的挥发物均需要逸出，这样就像图1.21中所示，在钎料球中心部位就出现了微盲孔类的空洞。
图1.21微盲孔类空洞
当材料的强度低于水气产生的压力时，微盲孔内部的物理缺陷（微裂缝等）在膨胀压的作用下将漫延和扩展，最终气体沿着微盲孔外泄(图1.22)，从而形成如上图1.20所示的大空洞。
图1.22PCB内部湿汽的扩散路径
·二是焊膏中活性物质除氧反应生成的水。无论是有机酸、无机酸和松香在去除氧化物的化学反应中均要产生水。
·三是PCB和焊膏在工序传递过程中表面吸附的水。由于PCB基材和焊膏对水都有很强的亲和力，再加上水合作用，它们在空气中暴露时，均会被偶极的水分子所包围。因此，它们都极易吸湿。
关于助焊剂中溶剂的挥发。在焊膏助焊剂中，溶剂的含有率约占(40～60)wt%。不同的溶剂其沸点是不同的，例如：二甲基或已烷类的沸点为214℃，而乙烯类则为230.6℃，它们在再流焊接过程中均要被挥发。这些都为空洞的形成提供了可挥发物。
⑵各类空洞形成的机理
①组装界面空洞(A、B类)
·由Kirkendall扩散效应所形成，图1.23所示。这种空洞一般非常微小，较难发现，但对焊点强度会有一定影响。
图1.23Kirkendall空洞
·由于ENIGNi/Au涂层的Au层上的针孔，造成与针孔底部的Ni层局域氧化。再流焊接时，被Au覆盖的Ni当Au被溶入钎料中去后，其原覆盖的面积被钎料润湿而形成Ni3Sn4等合金层。而被氧化的Ni部分则不能被钎料所润湿，因而在焊盘与钎料球之间的界面上，便出现了弥漫性的若干小空洞，如图1.24所示。
图1.24由局部润湿不良形成的空洞
②钎料球内空洞(C、D类空洞)
(a)设计的DFM性能不良
我们在作空洞试验研究中，用X-Ray检测某公司的产品，发现CSP钎料球中大面积出现大空洞，如图1.25所示。
图1.25由设计不良所形成的空洞
进一步解剖，发现该样品所用的CSP等，全部装入封闭的金属屏蔽罩内，没有为再流焊接预留足够的挥发气体的逃逸通道。再流焊接升温时，封闭在屏蔽罩内的气体受热膨胀，内部气体压力(P0)增大，使得钎料球空洞内的气体压力(P1)与球外气体之间的压力差(P1-P0)减小。当P1＜P0+F(液态钎料内的凝聚力)时，气体便被全部滞留在钎料球内而形成了大尺寸的空洞，如图1.26所示。
图1.26由排气障碍所诱发的空洞
图1.27环境气候因素对空洞形成的影响
以气压为例，我们假定大气环境气压为P0，再流炉膛内的气压为P1，炉膛内对外部大气保持适度的正压关系，有利于积聚在炉膛内的挥发性气体的排放。当CSP离板高度H0很小时(例如＜0.3mm），处于窄缝内的CSP芯片底面的挥发性气体压力P2可能较大，这也有利于在再流焊接过程中，积聚在芯片底面的挥发性气体顺畅地向炉膛内排放。三个气压P0、P1、P2达到某一稳定的数值关系时，就能确保生产的顺利进行。然而，一旦大气气候环境骤变导致P0增大，这样就破坏了原有的稳定状态。使得挥发性气体排放不畅甚致堵塞而滞留在钎料球内形成空洞。当天气转好，上述的稳定状态得以恢复，排气通畅了，空洞便自动消失。
图1.28盲埋孔类空洞的形因
2.2.3.空洞的检验和控制
许多公司使用X-Ray射线、在线检测和自动光学检测相结合的方法来改善BGA再流焊接焊点的工艺过程控制。一些公司通过X-Ray射线查找空洞，确定合格/不合格的标准，由于X-Ray的模糊投射，有可能会使空洞的尺寸变形，如图1.29所示。因此，精确地测量空洞的面积，是需要对X-Ray探测器的辐射度进行校正。
图1.29X-Ray射线辐射强度对空洞面积判断的影响
2.2.4空洞是问题吗？对于达到什么程度的空洞为可接受的呢？目前还没有达成共识。电子制造行业普遍作法是：通常在X-Ray照片中看到的空洞，当空洞的大小超过J-STD-001D规定的25%的面积时，便予以拒收。然而在产品中究竟允许有多少空洞和空洞的尺寸有多大，才不会影响到可靠性？有些专家在研究空洞形成的条件后，认为由于截留气体而形成的空洞是可以接受的。IPC钎料产品价值委员会（SPVC）最新的研究试验，证实了一些组织提出的观点是正确的，即：一定数量的空洞不会对焊点的可靠性产生不利的影响。尽管这个行业标准(IPC-J-STD-001D)坚持BGA的空洞面积不能超过25%，但是这种使用X-Ray射线的参数测量方法，本身就存在一定的主观性。无论结果是对是错，已经把这个空洞技术规范应用到无铅组装中去了。但是，这个25%的要求可能不适合无铅。理由是：
⑴IPCSPVC比较了6000次温度循环后的失效情况，比较金相检查的结果，并运用若干不同的统计方法来比较温度失效数据和空洞位置、尺寸。研究得出的结论是：空洞不会对焊点的完整性产生任何影响。
⑵IPCSPVC在无铅测试板上，对间距为0.5mm的84个输入/输出的CSP封装，由温度循环引起的蠕变疲劳导致的焊点失效，得出威布尔斜率（β）和特征寿命（η）值。并绘制出CSP84封装失效分布的威布尔图，如图1.30所示。
威布尔分布说明SAC合金焊点的特征寿命比锡铅焊点更长（SAC合金为4713到6810次温度循环，而锡铅合金则只有1595次温度循环）。
⑶在进行了6000次温度循环后用X-Ray射线对每个CSP84封装进行检查。试图把空洞和出现失效的温度循环次数关联起来。图1.31示出了其统计分布。这些统计结果取自24个CSP84封装(IPCSPVC可靠性测试的一部份)，60个CSP84封装(测试板可靠性测试的一部份)。
图1.30CSP84封装失效分布的威布尔图
图1.31空洞和出现失效的温度循环次数的分布
IPCSPVC比较了SAC连接中的空洞和出现失效的温度循环次数。用八种独立的统计分析方法（盒状图、单向ANOM、主要效果图、矩阵图等），来比较空洞超出连接面积的25%时，对应出现失效时的循环次数。也比较了空洞总数对应出现失效的温度循环次数。空洞分布与出现失效循环次数的比较结果，表明空洞不会对焊点的可靠性产生影响。
三、再流焊接中的三个典型缺陷之三—球窝
2.3球窝现象
2.3.1概述
图1.32球窝现象
⑵凸形球窝：此类缺陷的典型金相切片结构，如图1.34所示。此类球窝现象在生产中时常有发生，是我们重点分析的内容。
图1.33凹形球窝图1.34凸形球窝
2.3.3球窝现象发生机理的争鸣由于球窝是近几年才出现的一种新的威胁产品质量的缺陷，人们还对其了解不多。因此，目前对其形成的机理出现了下述几种解释：⑴焊膏或者钎料球的可焊性不良有人认为，一些难以焊接的器件（器件受到污染）或者焊膏的活性不够，不足以湿润器件表面，造成球窝缺陷。但是，Kester公司的BrianSmith从对未经过加工的器件进行的可焊性测试发现，这个原因并不成立。因为这种缺陷经常会出现在易于焊接的产品中。⑵焊膏印刷和贴片精度影响有人提出，这种缺陷可能会因为焊膏印刷的高度不够或者数量不足而随机出现；器件贴装的偏移都会使得组件不能妥善地放在焊膏上，而引发球窝，这一论据也并不充分。
⑶BGA焊球的共面性不好
也有人认为PBGA、CSP钎料球的共面性是造成球窝缺陷的另一个原因，但是，钎料球制作的误差通常是很小的。对PBGA、CSP而言，再流焊接过程中两次坍塌高度之和远大于上述各值，完全可以补偿其共面性的不良。因此共面性问题不可能单独成为球窝缺陷的根源。
⑷芯片温度不均习，存在温差
有人发现这种缺陷经常出现在组件的一侧或者一角，把热电偶贴到芯片四个角上，发现存在温差（ΔT），从而得出结论。缺陷反复出现在温度较低的那个角上，这表明器件的这一角的温度至少会比另一角低几度。根据这一假设，也许是器件上的温差引起球窝缺陷。可是，一些用户采取措施提高了组件温度较低处的温度。但并未降低缺陷水平。这说明，尽管再流焊接曲线与球窝的形成有点关系，但并不会促使球窝的形成。
⑸芯片翘曲也有人提出一种缺陷形成的机理是：由于器件的温差，在温度较高的一角，温度高于液相线，而温度较低的一角温度低于液相线。这时，由于湿润作用，把温度较高的一角向上“拉”，导致芯片的某一角略微抬起。假设这个力还不够大，不足以使芯片温度较低一角的引脚从焊膏中拔出来。但是，一旦缺陷形成，可以设想，在温度较低一角的钎料球完全没有与焊膏连接。钎料球完全脱离焊膏，焊膏中的助焊剂没有发挥功效，结果造成钎料球很快氧化。在钎料球被迫回到焊膏之前，焊膏中钎料粉末再流并湿润了焊盘。这意味着助焊剂会在PCB上铺开，无法防止熔融钎料表面氧化。一旦钎料球回落到熔融的焊膏钎料中时，两个表面都已经充分氧化了，钎料无法与钎料球熔混。结果钎料球只是叠在焊膏钎料上面，没有形成熔混而达到连接的目的。因此有人认为使用高预热平台的温度曲线可以减少器件上各个点的温度差异，从而，减少器件变形，降低发生球窝的几率。
图1.35PBGA、CSP再流的物理过程
⑵温度均匀性对再流焊接效果的影响
德国ERSA焊接研究所，对PBGA、CSP芯片在热风再流焊接中封装体上的受热情况，采用红外热成像方法摄得的封装体上温度场的分布，如图1.36所示。
由于温度分布的极度不均匀性，表明就是在同一芯片封装体上，不同区域的焊点也会发生冷焊和过热现象。
图1.36再流过程中PBGA、CSP封装体上的温度分布图1.37焊点内微结构的质量模型
图1.37中在钎料表面形成的弱氧化膜，主要是指SnO、SnO2。由于Sn的氧化自由能非常低，例如在200℃时生成SnO的自由能为-113(kcal/mol·O2)，而生成SnO2的自由能为-115(kcal/mol·O2)。可见Sn对氧的亲和力非常强，故极易被氧化，而且一旦氧化化了除去它也是很困难的。RMA级助焊剂去不了它，就是某些RA级助焊剂也无可奈
何。由于SnO膜非常薄，在金相分析中有时很难看到它的踪迹。
⑷助焊剂在再流焊接中的行为
助焊剂在PBGA、CSP再流焊接过程中的行为，可以这样来描述：在再流焊接之前，助焊剂作为焊膏中的关键成分之一，赋予了焊膏各种特有的性能。
助焊剂在再流焊接的浸渍区完全液化(例如松香在127℃溶融，其活性可持续到约315℃)，激活后能清除焊盘铜箔表面的氧化物，同时还覆盖在钎料表面，防止钎料(Sn)氧化。进入冷却区后其残余物回缩和凝固，堆积在焊盘周围的焊脚处，如图1.38所示。
图1.38助焊剂在再流焊接中的行为
⑸芯片翘曲规律及其影响当PBGA、CSP封装裸露于焊接所要求的温度下时，很有可能出现翘曲。在再流焊接过程中，封装的边缘有向上抬起或向下弯曲的可能，如图1.39-1.40所示。
图1.39芯片翘曲(一)
图1.40芯片翘曲(二)
较大的封装出现翘曲的可能性要比较小的封装更大。封装翘曲是由基板结构、模压材料和硅芯片内部之间的CTE不匹配造成的。当芯片较大或当PBGA、CSP装有散热器时，这个问题更为突出。玻璃态转变温度(Tg)是材料的一种特性，在这个温度下增强物和树脂系统偏离当前的线性热膨胀系数，并获得一个新特性。通常，当树脂体系超出其硫化聚合物状态时，就会出现这种现象。2.3.5球窝发生的机理按照焊点内微结构的质量模型，在焊点钎料的表面及内部均可能存在极薄的氧化膜(SnO、SnO2)，内部极薄的氧化膜的存在可以这样来理解：⑴熔化和凝固温度不同步假定钎料球和焊膏钎料有完全相同的合金成分，例如均为SAC305。在再流焊接
过程中，焊膏中钎料温度首先上升到液化线220℃，开始润湿焊盘Cu面并形成凸曲面。由于钎料粉末的再流，凸曲面的高度比再流前焊膏的高度降低了，助焊剂被挤出钎料并聚集在焊脚园角处。凸曲面表面可能因缺乏足够的助焊剂保护而形成了极薄的SnO膜。而此时还处于固态的钎料球，是继续与焊盘上的钎料相接触还是脱离接触，就取决于下述条件：·芯片和PCB是否有翘曲变形；·焊膏印刷量；·焊膏的抗热坍塌能力。如果因上述原因之一，导致钎料球是悬在凸曲面的上方时。那么，在冷却过程中，焊盘钎料先冷却，焊盘凸曲面形状被固化下来。与此同时封装体的翘曲状态逐渐恢复正常，而尚呈液态的钎料球，便被盖在焊盘钎料的凸曲面上，完全凝固后便被形成了凸形球窝，如图1.41所示。
图1.41凸形球窝的形成
⑵钎料球和焊膏钎料粉末合金成分不同
例如，钎料球成分为SAC105(液化线温度为227℃)，而焊膏钎料粉末成分为SAC305(液化线温度为220℃)，液化线温度差了7℃。此时，熔化和凝固温度不同步现象将更加明显，再加上封装体在热风再流过程中，出现的温度差△T，使位于冷区的钎料球本身就达不到熔点而不能熔化。因此，即使不发生由芯片翘曲所引发的问题，也会因为钎料球直接暴露在高温气流中，加速了SnO薄膜的生成。当其它区域的钎料球
熔化后产生坍塌时，它便跟随下落，未熔化的钎料球只能是坐在熔化的焊盘钎料上面，而其表面的SnO膜，完全阻断了液-固界面间的融混过程，这便形成了如图1.33所示的凹形球窝。此时，金相切片可以观察到在焊盘铜箔和焊盘钎料之间，冶金反应很充分，IMC形成得很好，甚至从焊点的外形敷形来看，也寻不到冷焊的痕迹。
⑶界面污染形成的球窝现象
这种污染源不可能是外部的，因为现代的PBGA、CSP都是高密度封装，间距如此的小，外部污染不可能是呈孤立点状的。那么污染源究竟是如何形成的呢？事情还得回到再流焊接过程中去。
我们知道再流焊接过程中，当焊膏中钎料粉末再流时，还伴随着助焊剂溶剂的
挥发和某些有机物的分解。挥发物的排放受局部空间环境和气压的影响，一旦环境气压波动，或者封装体出现翘曲变形时，挥发物的排放就不会顺畅，如图1.42所示。
这些主要由C，O元素构成的挥发物，对熔融状态的高Sn基合金表面都有很好的亲和力，冷却后便覆盖在钎料的表面上。由于凝固时总是下部先凝固，所以最终还是形成凸形球窝。
有机污染物的厚度比SnO要厚得多，因此形成的球窝界面通常是清晰可见的，严重时就会出现如图6.43所描绘的现象。这类球窝焊点的外型轮廓都比较标准，与正常焊点的外形轮廓几乎无区别。
图1.43界面污染形成的球窝
⑷拉长和偏位伴生的球窝现象由于上述所分析的一些原因，在上、下两部分钎料的界面上存在的SnO膜，由于其厚度非常薄，受到的范德华力很大，因此，对正常使用不存在影响，即使进行金相切片，也只能从边缘形状上觅得一点踪迹。然而，在熔融状态下范德华力便会明显削弱，此时若再受到拉伸力时，球窝现象就会显露出来。轻者会在界面的终端和焊点表面的交汇处，留下一个不润湿的凹坑，如图1.44所示。严重时会出现如图1.45所描绘的状态。因此，常说拉伸的焊点存在可靠性问题，这也是一个影响因素之一。
图1.44拉伸焊点的球窝现象
图1.45偏位焊点的球窝现象
氮气保护在无铅化电子组装中的应用
摘要：无铅钎料的高熔点、差润湿性给SMT传统的焊接工艺带来了很大冲击，并且对焊点质量也产生了很大的影响。为了防止氧化，改善钎料与焊盘、元件引脚之间的润湿性，提高产品合格率，目前在电子组装中普遍采用氮气保护。
本文针对几种常用无铅钎料进行了氮气气氛中润湿性和焊点组织的分析，并初步研究了氮气保护对焊点质量和氧化渣的影响。结果表明：氮气保护可以改善无铅钎料润湿性，细化焊点组织，减少氧化渣量，而且对焊点外观和成品率也有一定的影响。
关键词：无铅化组装；无铅钎料；氮气保护；波峰焊；再流焊；润湿性
无铅钎料的高熔点、差润湿性给无铅化电子组装带来一定的挑战。电子组装中要求好的焊接效果和高的可靠性，目前常常采用氮气保护来改善无铅钎料的可焊性，且多与免清洗、低残余钎焊材料配合使用。
钎焊时，熔融钎料对基体金属的润湿过程形成了近距离接触界面，界面上基体金属和钎料合金相互作用，形成了实现连接所必须的界面化合物或合金层。因此，润湿是钎焊的前提条件，要获得优质的钎接接头必须保证具有良好的润湿。本文主要针对几种常用无铅钎料进行了润湿性测试和焊点组织的分析，并初步研究了氮气保护对焊点质量和氧化渣的影响。
1.波峰焊中氮气保护
1.1氮气对润湿性的影响
1.1.1试验设备
润湿平衡测试仪：SolderCheckerSAT-5100型平衡测试仪（图1）；氧浓度检测：氧含量分析仪。
图1润湿平衡测试仪
1.1.2试验材料
合金：Sn3.0Ag0.5Cu；
焊剂：TAMURA公司的EC-19S-8免清洗焊剂；
测试铜片：Rhesca公司随机附带标准试片，规格为0.3×5×30mm3；氮气：瓶装液氮，纯度为99.999%。
1.1.3试验参数设定
1.1.4试验结果
测试前，需置测试铜片于沸腾的IPA中去脂，后用铜表面调解剂去除氧化膜，接着在清水/IPA中冲洗，最后在100℃下氧化一小时后使用。
1.1.5理论分析
a.230℃不同氮气浓度下润湿平衡曲线
b.260℃不同氮气浓度下润湿平衡曲线
图2润湿平衡测试曲线
图3不同温度、不同氧浓度下的润湿性
液态钎料对固态母材和元件引脚的润湿对钎焊质量有极其重要的影响。Young方程（润湿平衡方程）描述了润湿平衡状态：
由公式（1）可以看出，润湿角θ越小，钎料润湿性越好。因此任何可以使润湿角θ减小的因素都可以改善钎料对母材和元件引脚的润湿性。
温度升高时，液－气相界面张力YLG大大减小，从热力学角度来解释，有约佛斯特公式：
其中Vm为液体摩尔体积；k为比例常数，k＝2.2×10-7J/K；TC为0-0时的临界温度。对式（2）做修正后有：
由公式（3）可知，温度变化对液态表面张力影响很大。当温度升高时，表面张力很快减小，润湿角θ减小，润湿性增强，这一点与试验结果吻合。
值得注意的是：氮气对钎料润湿性的改善不如焊剂活性的影响，尤其在较低再流焊温度时，焊剂活性对钎料润湿性起主要作用，而在较高再流焊温度时，性能较差的焊剂由于在高温下失去活性，氮气保护对润湿性的影响就显得重要了。
1.2氮气对氧化渣的影响
对于波峰焊来说，无铅化之后无铅钎料含锡量高，氧化是个非常严重的问题。对于静态钎料槽来说，其氧化量有以下公式：
图5扩展率计算参数定义
2.2.3试验结果
各取4种焊膏0.5g，置于相同条件的铜片上，在空气和氮气两种气氛下进行焊接，扩展后焊点外观如图6所示，计算得到的扩展率如图7所示。由试验结果可以看出：氮气气氛中可以提高焊膏的扩展率；由于不同焊膏的焊剂活性和成分不同，在相同氧浓度条件下扩展率的提高程度不同。
图6不同试验条件下焊膏的扩展情况
图7不同试验条件下焊膏的扩展率
2.3氮气对铺展性的影响
2.3.1试验材料与设备
两种试验铜板：a)在室温条件下氧化6个月，b)在室温条件下氧化2个月
焊膏印刷参数：宽1mm，长25mm，厚度1.5mm
其它条件与扩展率测试条件相同。
2.3.2试验结果
以上是对裸铜在氮气气氛中所作的试验，结果发现氮气可以提高不同焊膏的可焊性。有研究人员以SAC合金做测试发现：氮气气氛中ENIG、OSP和Ag涂层材料可焊性增强，但OSP和Ag变化很小，且随测试方法而变化；无铅HASL涂层和Sn涂层在残余氧含量高于10000ppm时，随残余氧浓度的下降可焊性增强，低于10000ppm时可焊性变化不大。
2.4氮气对焊点组织的影响
图9不同条件下的焊点组织
3.理论分析
3.1无铅焊接过程中产生更多的氧化
图10为对30μm的Sn60Pb镀层材料氧化层厚度与润湿力的关系图。可以看出：当氧化层厚度超过5nm后，润湿力变化不大，在厚度小于5nm时，润湿力随着氧化物的厚度急剧降低到0.2mN/mm，即氧化量对润湿性影响极大。
图10氧化层厚度和润湿力的关系
表3一些金属氧化物的标准生成自由能
3.2氮气保护改善润湿性机理
3.2.1氮气保护减少氧化
金属与氧之间存在着可逆反应：
其平衡常数：
其中PMe、Po2、PMemon为系统中金属，氧气和氧化物的分压。
当反应温度不变时，PMemon和Po2均为常数值，因此该平衡常数可表述为：
当温度一定时，金属与其氧化物之间的平衡条件取决于系统中的氧分压，因此，必然相应地存在某一分压值，使系统中金属氧化物的分解处于平衡，此分压值称为该氧化物的分解压。
氧化物的分解压与温度呈下列关系：
式中：Qv为常温时析出1mol氧的氧化物分解热，J/mol；
T为温度，K。
由式9可以看出，在一定的氧分压条件下，加热至某温度后氧化物即可发生分解。然而大多数金属氧化物在空气中完全分解的温度高于其金属的熔点甚至沸点（表5），因此钎焊时不能依靠加热来去氧化物。钎焊时如在提高温度的同时，采用纯度很高的中性气体降低氧分压，就可以增大氧化物分解趋势。但这对于大多数金属氧化物，仍然不能满足其自行分解所要求的低氧分压条件。
表4几种金属氧化物的标准吉布斯自由能差及临界氧分压
表5空气中部分氧化物的分解温度
氧化物
提高分解压虽不能实现去膜，但是会使母材表面氧化膜处于不稳定状态，或发生不完全分解，有利于其它去膜过程的进行。氧化物在不稳定的状态下，因受液态钎料的吸附作用而本身强度降低，再加上金属与氧化物界面上热应力作用而破碎，伴随着母材或其组元向液态钎料中的溶解，最终从母材表面脱落而被去除。
3.2.2氮气保护降低表面张力
再流焊中焊膏润湿模型如图11，杨氏方程可写为：
图11再流焊中焊膏润湿模型
导致cosθ值变大，润湿角θ值变小，从而在有更好的润湿性。
从化学热力学的角度考虑，润湿就是指由固－液相界面来取代固－气相界面，从而使体系的自由能降低的过程。在不同相存在的界面上，由于相界面分子与相内分子之间作用力的不同，相界面能量总是趋于最小。钎料与母材金属接触时，钎料是否能将母材表面的气体排开，并沿母材表面铺展，取决于钎料对母材表面的附着功和由钎料粒子间接合力产生的内聚功大小关系。
附着功是由液体润湿固体时释放的表面自由能确定的：
内聚功由形成两种新的液体表面所必须的功估算：
当钎料对基体金属的附着功大于钎料的内聚功，钎料就会在基体金属上铺展润湿，也就是当YSG-YLG-YSL≥0时。因此YSG、YLG和YSL的大小决定了钎料在母材上的润湿和铺展行为。
与传统焊接工艺相比，无铅焊接工艺中焊盘和钎料表面将会有更多的氧化膜形成，而氧化膜的存在会使界面张力发生变化，文献12中对润湿过程进行了如下分析：
在氮气保护下（相同的焊剂），随着氮气浓度的增加，气氛中氧分压降低，也就越接近临界氧分压，氧化作用减小，式（13）中X值减小，使YSL减小，YSG和YLG同时增加，结果是使cosθ值增大，因此在氮气保护下润湿更易发生，这就是氮气保护下润湿性大大改善的原因。
4结论
波峰焊中采用氮气保护：
1）改善润湿性。虽然不能代替焊剂起决定性作用，但在特定条件下，可在保证相同润湿性的前提下降低焊接温度，减少焊剂的高温烘烤，避免焊剂的氧化，使清洗更容易，同时减小了热冲击带来的负面影响，一般比空气中降低10℃左右；
2）防止焊盘再次氧化，在保证良好润湿的前提下，可以减少焊剂的使用量而节省成本，并减少印刷电路板表面残余物；
3）降低缺陷率。氮气保护可降低桥连等焊接缺陷率，提高成品率，节省返修成本；
4）减少氧化渣。氮气保护减少钎料槽内氧化渣的生，节省了钎料和处理氧化渣带来的人工费用；
5）氮气保护也会带来缺点，主要表现就是增加了PCB表面的锡珠。
再流焊中采用氮气保护：
3）降低焊接峰值温度，减少焊剂的高温烘烤，避免焊剂的氧化，使清洗更容易，同时减小了热冲击带来的负面影响，一般比空气中降低10～15℃；
5）氮气保护也会带来缺点，主要表现在增加“竖碑”缺陷和电能消耗方面。