正文

無(wú)鉛BGA混裝焊接工藝質(zhì)量控制

一.無(wú)鉛產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)探討

1. PCB熱分布設(shè)計(jì)，為了減少焊接過(guò)程中印制電路板表面的溫升，應(yīng)仔細(xì)考慮散熱設(shè)計(jì)，元器件及銅箔分布應(yīng)均勻，優(yōu)化印制電路板的布局。

2.橢圓形焊盤可以減少焊后焊盤露銅現(xiàn)象。

3.過(guò)渡階段BGA、CSP采用SMD焊盤設(shè)計(jì)有利于排氣、減少“空洞”。 BGA、CSP焊盤設(shè)計(jì)按照阻焊方法的不同可分為SMD和NSMD兩種類型。

圖1：SMD和NSMD焊盤設(shè)計(jì)

由于無(wú)鉛焊料的表面張力大，焊接時(shí)氣體不容易排出，尤其當(dāng)無(wú)鉛工藝碰到有鉛BGA時(shí)，采用傳統(tǒng)的NSMD設(shè)計(jì)，在焊盤與阻焊之間的氣體不容易排出，更容易產(chǎn)生空洞。 因此，過(guò)渡階段BGA、CSP采用SMD焊盤設(shè)計(jì)有利于排氣、減少“空洞”。如圖2所示。

圖2：SMD焊盤設(shè)計(jì)有利于排氣

4.過(guò)渡時(shí)期雙面焊（A面再流焊，B面波峰焊）時(shí)， A面的大元件及通孔元件波峰焊的焊盤也可采用SMD焊盤設(shè)計(jì)，可減輕焊點(diǎn)起翹和焊盤剝離現(xiàn)象。

5.通孔元件插裝孔的孔徑需要適當(dāng)大一些，有利于增加插裝孔中焊料的填充高度。

6.為了減少氣孔， BGA、CSP焊盤上的過(guò)渡孔應(yīng)采用盲孔技術(shù)，并要求于焊盤表面齊平。

7.提倡環(huán)保設(shè)計(jì)。

8.導(dǎo)通孔填充 導(dǎo)通孔填充、覆蓋、注液屏蔽和堵塞是一種工藝，這些工藝是用阻焊掩膜來(lái)覆蓋或填充導(dǎo)通孔。 當(dāng)BGA底部裸露導(dǎo)通孔的PCB要進(jìn)行波峰焊接，所有的BGA都應(yīng)對(duì)導(dǎo)通孔進(jìn)行覆蓋或者屏蔽。

9.器件貼裝和間隙 應(yīng)給BGA周邊留出足夠的間隙（3mm~5mm），以便于返工操作。在使用臺(tái)階式模板沉積焊膏和使用熱風(fēng)返工時(shí)間隙可采用高端（5mm），特別是BGA。 然而，如果使用二極管激光系統(tǒng)進(jìn)行返工的話，可將間距降低到0.5mm~1.00mm，因?yàn)榧す獠粫?huì)影響到相鄰器件。

二.物流控制管理和環(huán)保標(biāo)識(shí)控制

過(guò)渡時(shí)期企業(yè)必須加強(qiáng)無(wú)鉛生產(chǎn)物料管理，從無(wú)鉛元器件、印制電路板、工藝材料的標(biāo)識(shí)、儲(chǔ)存、在線控制直到無(wú)鉛成品發(fā)運(yùn)等方面認(rèn)真考慮實(shí)物流動(dòng)的管理，建立無(wú)鉛物料管理制度與措施；加強(qiáng)對(duì)全線人員進(jìn)行培訓(xùn)，并且在過(guò)渡時(shí)期按照正確的工藝方法進(jìn)行裝配焊接。 除錫鉛鍍層外，無(wú)鉛元器件電極和鍍層要求可參考 IPC-AJ-820、EIA/IS-47，表1是常見的無(wú)鉛元器件引腳/端子表面鍍層處理方法。

表1

三.有鉛/無(wú)鉛元器件有鉛焊接工藝

1.基本原則

有鉛元器件和無(wú)鉛元器件混合組裝焊接的基本原則是使用Sn63Pb37、Sn60Pb40和Sn62Pb36Ag2等有鉛焊料以及表面涂覆為鉛錫合金或電鍍鎳金的PCB板，通過(guò)適當(dāng)提高傳統(tǒng)有鉛焊料焊接峰值溫度和較長(zhǎng)的液相保持時(shí)間（推薦混裝焊接溫度較有鉛焊料焊接溫度提升10℃左右），實(shí)現(xiàn)對(duì)有鉛元器件和無(wú)鉛元器件的可靠焊接。

（1）無(wú)鉛PBGA、CSP，一般情況可以通過(guò)適當(dāng)提高焊接溫度，正確設(shè)置再流焊接溫度解決，使器件一側(cè)的焊球合金充分熔化，在焊球與器件的焊盤之間形成良好的電氣與機(jī)械連接。

（2）可以將無(wú)鉛焊球去除，重新植Sn-Pb焊球。但建議一定要對(duì)無(wú)鉛器件逆向轉(zhuǎn)換為含鉛器件的工藝、可靠性與可行性進(jìn)行研究。對(duì)轉(zhuǎn)換工藝和可靠性進(jìn)行立項(xiàng)研究，并制定轉(zhuǎn)換規(guī)范，確保轉(zhuǎn)換后的可靠性。

（3）鍍Sn焊端的有引腳和無(wú)引腳無(wú)鉛元件，Sn與Sn-Pb焊料焊接時(shí)是兼容的；鍍Sn焊端的錫須問(wèn)題，通過(guò)對(duì)組裝板的“三防”工藝來(lái)解決；軍品的PCBA，絕大部分企業(yè)除微波電路模塊外全部需要而且能夠進(jìn)行三防工藝。

（4）要特別警惕混入鍍Sn-Bi元件，對(duì)于鍍Sn-Bi元件應(yīng)有明確標(biāo)志。

（5）如果有Sn-Bi元件，可以采用Sn-Ag-Cu焊料手工焊接（必須設(shè)立無(wú)鉛手工焊接的專用工位，專用工具，并做標(biāo)識(shí)）。

2.無(wú)鉛元器件

（1）元器件的選擇

1）盡量選擇有鉛元器件；

2）鍍Sn焊端的有引腳的或無(wú)引腳無(wú)鉛元器件，Sn和Sn-Pb式相容的；鍍Sn焊端的錫須問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)PCBA的三防工藝來(lái)解決；要特別警惕混入鍍Sn-Bi元器件。

（2）可焊性鍍層材料及厚度

1）典型無(wú)鉛元器件電極鍍層材料見表1。

2）元器件焊端表面鍍層的要求

①抗氧化

②耐高溫：無(wú)鉛元器件耐高溫極限應(yīng)為245℃-260℃

③與焊料生成良好的界面合金。

④鍍錫焊端，應(yīng)采用先鍍一層厚度為1μm以上的Ni，然后再鍍2μm~3μm厚的Sn

⑤器件焊端具有良好的可焊性。 常用的無(wú)鉛元器件焊端表面鍍層如表2所示。

表2 常見無(wú)鉛元器件焊端表面鍍層

3.混裝印制電路板

（1）混裝印制電路板基材要求，有鉛元器件和無(wú)鉛元器件混裝PCB基板材料主要根據(jù)電子產(chǎn)品的性能指標(biāo)、使用環(huán)境、焊接溫度來(lái)選擇。

1）焊接溫度240℃以下的產(chǎn)品，采用FR4環(huán)氧玻璃纖維基板；

2）焊接溫度240℃～250℃的產(chǎn)品，可選擇高Tg為150℃～170℃的FR-4；3）高可靠及厚板，焊接溫度250℃以上的產(chǎn)品，采用FR-5；

4）使用環(huán)境溫度較高或撓性電路板采用聚酰亞胺玻璃纖維基板；

5）對(duì)于散熱要求高的高可靠電路板采用金屬基板；

6）對(duì)于高頻電路則需要采用聚四氟乙烯玻璃纖維基板。（

（2）混裝印制電路板焊盤表面鍍（涂）層，應(yīng)選擇可焊性符合GJB362B要求的印制電路板表面鍍層，同時(shí)應(yīng)考慮成本、儲(chǔ)存條件等因素。高可靠軍用電子設(shè)備推薦采用Pb-Sn熱風(fēng)整平（HASL）鍍層。 如果產(chǎn)品對(duì)于焊盤的平整度有較高的要求，推薦采用電鍍Ni/Au鍍層。高密度組裝建議采用電鍍 Ni/Au 鍍層，備選Pb-Sn 熱風(fēng)整平（HASL）鍍（涂）層。 有些軍品PCB表面鍍層的設(shè)計(jì)中為了滿足兩次回流焊的需求，避免二次回流焊時(shí)，第一次焊接的元器件掉件，采用“溫度階梯焊”工藝，即PCB的A面熱風(fēng)整平Pb-Sn合金鍍層，而在B面涂覆無(wú)鉛焊料，這是不可取的；掉件問(wèn)題可以通過(guò)PCB布局設(shè)計(jì)解決，也可以通過(guò)其它工藝方法解決。

1）設(shè)計(jì)方法 采用雙面再流焊的混裝時(shí)，印制電路板設(shè)計(jì)應(yīng)將大元器件布放在A面，小元器件在B面。

圖3：器件在B面

放置在B面的元器件應(yīng)遵循以下原則：元器件（Dg）/焊盤面積＜30g/in2 式中： Dg—元件質(zhì)量； P—該元件焊盤總面積。雙面再流焊工藝一般先焊B面，然后再焊A面，如果輔B面的元器件質(zhì)量過(guò)重，二次回流時(shí)可能落在再流焊爐中。 當(dāng)質(zhì)量/面積比（Dg/P）小于30g/in2時(shí)雙面再流焊二次回流，元器件也不會(huì)掉下來(lái)。

2）工藝方法

①第二次再流焊時(shí)將再流焊爐上/下溫區(qū)設(shè)置一定的溫度差，一般爐子底部溫度低于頂部溫度20℃～30℃。

②采用膠粘劑：B面的SMD/SMC經(jīng)過(guò)兩次再流焊。當(dāng)A面焊接時(shí)，B面向下，已經(jīng)焊在B面的元器件在A面再流焊時(shí)，其焊料會(huì)再熔融，而且較大的元器件在傳送帶輕微振動(dòng)時(shí)回發(fā)生偏移，甚至脫落，所以涂覆焊膏前還需用膠粘劑固定。用于錫焊的Au鍍層厚度不超過(guò)0.15μm。對(duì)于用于錫焊的PCB上鍍Au鍍層厚度，國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)有所差異：

IPC-2252-2002為0.25μm ~0.8μm；

GJB4057-2000為0.8μm；

GJB362B-2009為0.46μm；

QJ831B-2011為0.45μm；

QJ3103A-2011為0.45μm；

用于錫焊的Au鍍層厚度不超過(guò)0.15μm來(lái)自IEC 61191-1-1998和GB/T19247.1-2003《印制板組裝 第1部分：通用規(guī)范 采用表面安裝和相關(guān)組裝技術(shù)的電子和電氣焊接組裝的要求》規(guī)定：為符合為了使焊料在金鍍層上脆裂最小，任何焊點(diǎn)上的金總體積不應(yīng)超過(guò)現(xiàn)有焊料體積的1.4%（即質(zhì)量的3%）的要求，薄層鍍金的鍍層厚度不應(yīng)超過(guò)0.15μm。

（3）印制電路板的設(shè)計(jì)制作、驗(yàn)收和存放要求

1）一般印制電路板的設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB4588.3 的規(guī)定。

2）印制電路板的儲(chǔ)存環(huán)境溫度為10℃ ~35℃，相對(duì)濕度不大于70%，避免酸、堿有害氣體。

3）印制電路板的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合GJB4896、QJ831B和GJB362B。可根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)選擇相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4.有鉛和無(wú)鉛表面組裝器件混裝對(duì)焊料/焊膏和助焊劑的要求

（1）焊膏

1）焊膏選擇，焊膏性能應(yīng)符合GB/T 3131的規(guī)定。選用焊膏時(shí)，主要根據(jù)產(chǎn)品的用途、PCB板的組裝密度、PCB板和元器件的存放時(shí)間及表面氧化程度、生產(chǎn)線工藝條件等實(shí)際情況來(lái)選用焊膏。 應(yīng)驗(yàn)證焊膏的合金粉末的組成、純度及含氧量、金屬比重、顆粒形狀和尺寸、均勻度，助焊劑的成分與性質(zhì)、粘性、塌陷、流動(dòng)性、溶劑揮發(fā)性等關(guān)鍵特性，以確定其適用性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

2）焊膏選擇時(shí)注意因素：

①根據(jù)產(chǎn)品的用途，高可靠性產(chǎn)品需要高質(zhì)量的焊膏。

②根據(jù)PCB板和元器件的存放時(shí)間及表面氧化程度決定焊膏的活性。

a）一般用RMA級(jí)；

b）高可靠性產(chǎn)品、航天和軍工產(chǎn)品可用R級(jí)；

③根據(jù)組裝工藝、印制板、元器件的具體情況選擇合適的焊膏合金成分 a）焊膏合金成分：使用Sn63Pb37、Sn60Pb40和Sn62Pb36Ag2焊膏，鍍鉛錫印制板推薦使用Sn63Pb37焊膏；

b）引腳可焊性較差的元器件、要求焊點(diǎn)質(zhì)量高的印制板采用Sn62Pb36Ag2焊膏；推薦使用Sn63Pb37松香型免清洗焊膏。

④根據(jù)PCBA對(duì)清潔度的要求選擇焊膏，注意焊膏中助焊劑的組成和特性，高可靠性產(chǎn)品、航天和軍工產(chǎn)品可選用水清洗或溶劑清洗焊膏；

⑤根據(jù)PCB板的組裝密度選擇合金粉末顆粒度，焊膏的粒度一般控制在25μm~45μm，用于細(xì)間距器件的焊膏粒度應(yīng)更細(xì)；

表3

⑥根據(jù)施加焊膏的工藝及組裝密度選擇焊膏的黏度；

⑦焊膏熔點(diǎn)：焊膏熔點(diǎn)應(yīng)滿足相關(guān)產(chǎn)品組裝與焊接要求；

⑧焊膏的粘度、金屬含量及粒度根據(jù)表面組裝元件的不同要求由工藝決定,并在裝配工藝卡上明確表示；

⑨焊膏中助焊劑的組成和特性；

⑩焊膏的合金粉末的粒度及尺寸。

3）焊膏詳細(xì)要求

①氧化物含量 焊膏中焊料的氧化物含量應(yīng)低于0.15%。

②顆粒形狀 選用球狀或接近球狀顆粒的焊膏。

③焊膏粘度

a）針管滴膏的焊膏粘度為150 Pa.s ~300 Pa.s；

b）模板印刷的焊膏粘度普通器件為 500 Pa.s~900Pa.s，小于0.5 mm細(xì)間距器件為700 Pa.s ~1300Pa.s。

④焊膏金屬含量

a）針管滴膏的焊膏金屬含量為80%~85%。

b）模板印刷的焊膏金屬含量為 85%~92%。

⑤焊膏粒度

a）常用焊膏粒度為200目~325目。

b）焊接微小型元件，例如01005元件時(shí)，由于對(duì)應(yīng)的焊盤尺寸較小，鋼網(wǎng)開孔更加細(xì)密，使用的焊膏粒度應(yīng)為20~38μm（4號(hào)焊膏）以上，例如粒度為15~25μm的4.5號(hào)焊膏或5號(hào)焊膏。

c）小于0.5 mm細(xì)間距器件的表面安裝，可選用金屬粉末的粒度為325目~500目的焊膏，但最小的粒度應(yīng)大于10μm。

⑥焊膏包裝外必須有供應(yīng)商的標(biāo)識(shí)、品牌、型號(hào)、批次、有效期，供應(yīng)商必須提供每個(gè)批次焊膏的合格證和檢測(cè)報(bào)告，檢測(cè)結(jié)果必須符合SJ/T 11186錫鉛膏狀焊料通用規(guī)范和J-STD-005 焊膏要求。

（2）手工焊用焊料選擇，推薦選擇Sn63Pb37松香型免清洗焊錫絲；根據(jù)焊點(diǎn)大小（組裝密度）選擇焊絲的直徑，焊接通孔元件時(shí)焊錫絲的直徑略小于焊盤寬度的1/2（焊錫絲的直徑一般為0.8mm~1.2mm。焊接表面貼裝元器件時(shí)一般選擇直徑0.5mm或更細(xì)的焊錫絲。

（3）波峰焊用焊料選擇，推薦選擇Sn63/Pb37焊料；

（4）助焊劑的選擇，要求助焊劑具有一定的化學(xué)活性、良好的潤(rùn)濕性，對(duì)焊料的擴(kuò)展具有促進(jìn)作用，留存于基板的焊劑殘余物對(duì)基板無(wú)腐蝕性，具有良好的清洗性，氯的含有量在規(guī)定的范圍內(nèi)。

波峰焊推薦使用中等活性的免清洗助焊劑，手工焊焊錫絲內(nèi)焊劑推薦使用中等活性免清洗助焊劑或者中等活性松香焊劑，返修推薦使用中等活性松香焊劑。

1）外觀 助焊劑的外觀應(yīng)均勻一致、透明，無(wú)沉淀物及渾濁、分層現(xiàn)象，無(wú)異物；助焊劑不應(yīng)散發(fā)具有有毒、有害或有強(qiáng)刺激性氣味的氣體和較濃的煙霧。在有效保存期內(nèi)，其顏色不應(yīng)發(fā)生變化。

2）對(duì)助焊劑的物理化學(xué)特性的要求 符合GB/T 9491 錫焊用液態(tài)焊劑（松香基）的要求。

①化學(xué)活性滿足應(yīng)用要求（能有效除去母材金屬和釬料表面的氧化膜）；化學(xué)反應(yīng)迅速；

②熔點(diǎn)比焊料料低，在釬料熔化之前阻焊劑應(yīng)先熔化，以充分發(fā)揮助焊作用；

③表面張力比焊料小，潤(rùn)濕擴(kuò)展速度比熔融焊料快，擴(kuò)展率不小于90%；

④黏度和密度比釬料小； 黏度和比重比熔融焊料小容易被置換。 助焊劑的比重可以用溶劑來(lái)稀釋，密度在23℃時(shí)應(yīng)為0.8 g ~0.95g/cm3。

⑤焊接時(shí)不產(chǎn)生焊珠飛濺，也不應(yīng)產(chǎn)生有害氣體或刺激氣味；

⑥焊后殘留物少，應(yīng)無(wú)粘性，不沾手且不應(yīng)有侵蝕性、吸濕性和高導(dǎo)電率，表面的白色粉末易于清洗去除；

⑦焊接后不沾手，焊點(diǎn)不拉尖；

⑧熱穩(wěn)定性好；在常溫下儲(chǔ)存穩(wěn)定。

⑨使用免清洗焊劑時(shí)，焊劑的固體含量一般不大于5％（超低固體不大于2％），不含鹵素，助焊劑擴(kuò)展率不小于80％。

四.有鉛焊料和無(wú)鉛元器件的混裝再流焊接

1.焊膏印刷與元器件安裝 焊膏印刷與元器件安裝同有鉛焊接工藝。

2.混裝再流焊接設(shè)備要求 混裝再流焊應(yīng)選擇5溫區(qū)以上熱風(fēng)真空再流焊機(jī)或汽相真空再流焊機(jī)，要求如下：

1）再流區(qū)不少于3個(gè)；

2）上下加熱區(qū)都能獨(dú)立控溫，各溫區(qū)溫度控制精度±1℃；

3）傳送帶橫向溫差小于±2℃；

4）冷卻速率為3℃/ s ~6℃/ s；

5）具有助焊劑殘?jiān)厥障到y(tǒng)。

3.有鉛和無(wú)鉛元器件混裝再流焊溫度參數(shù) 有鉛和無(wú)鉛元器件混裝再流焊溫度參數(shù)

表4 有鉛和無(wú)鉛元器件混裝再流焊溫度曲線參數(shù)推薦表

（1）應(yīng)根據(jù)印制板和元器件的不同，在工藝要求范圍內(nèi)選擇合適的溫度曲線。例如焊接BGA 器件或者熱容量大的器件，則應(yīng)選擇預(yù)熱較充分，焊接溫度較高，加熱時(shí)間較長(zhǎng)的溫度曲線；一般安裝密度PCBA的再流焊峰值溫度推薦如下：

PCBA上沒(méi)有無(wú)鉛PBGA時(shí)峰值溫度一般控制在230℃～235℃； PCBA上有無(wú)鉛PBGA時(shí)峰值溫度一般控制在235℃～245℃。

（2）可使用溫度測(cè)試裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行爐內(nèi)實(shí)際焊接溫度測(cè)試，以確定設(shè)備參數(shù)，實(shí)驗(yàn)板（包括器件）最好和所要焊接的產(chǎn)品一致，如果實(shí)驗(yàn)板為裸板，則應(yīng)考慮到器件的吸熱狀況，應(yīng)該在設(shè)定爐溫時(shí)適當(dāng)增加溫度。測(cè)試點(diǎn)的位置選擇應(yīng)兼顧印制電路板的不同位置和各典型器件。

4.有鉛焊料和無(wú)鉛元件（無(wú)引線或有引線）的混裝焊接

（1）有鉛焊料和無(wú)鉛元件（無(wú)引線或有引線）混用時(shí)，由于無(wú)鉛元件引腳和焊端鍍層都非常薄，只有幾毫米厚，以應(yīng)用最多的鍍Sn焊端為例，鍍Sn層厚度在3μm~7μm，Sn的熔點(diǎn)在232℃，在與Sn63Pb37合金焊接時(shí)，Sn63Pb37合金在183℃開始熔化，大約到225℃時(shí)能夠使微量的鍍Sn層熔化。

（2）一般情況下，峰值溫度比焊接有鉛元件略微高5℃~10℃左右即可，通常將溫度、時(shí)間靠上線設(shè)置，峰值溫度為235℃。

（3）關(guān)注點(diǎn)：無(wú)鉛元件焊端鍍層非常復(fù)雜，采購(gòu)、存儲(chǔ)、備料時(shí)一定要嚴(yán)格管理，特別是工作溫度高、使用環(huán)境惡劣以及高可靠性產(chǎn)品，要預(yù)防Sn-Bi鍍層元件混入有鉛工藝中。

特別要注意鍍Sn-Bi元件只能應(yīng)用到無(wú)鉛工藝中，不能用到有鉛工藝中，杜絕Sn-Bi元件的有鉛焊接所引起的焊接面剝離、空洞等問(wèn)題，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度劣化等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。

5.有鉛焊料和無(wú)鉛PBGA/CSP的混裝焊接

有鉛焊料焊接無(wú)鉛BGA再流焊與有鉛再流焊工藝完全兼容。

（1）有鉛焊料和無(wú)鉛PBGA/CSP混裝焊接時(shí)，如果采用有鉛焊料的焊接溫度曲線，則焊點(diǎn)的連結(jié)可靠性是最差的。

（2）當(dāng)SnAgCu無(wú)鉛焊球BGA封裝器件使用SnPb焊膏焊接時(shí)，為了得到更好的焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性，必須使用圖4所示的后端兼容再流焊接溫度曲線。

圖4 向后兼容與完全無(wú)鉛的再流焊接曲線的比較

在這條曲線的再流過(guò)程中，SnAgCu焊球也熔化了，SnPb焊膏里面的Pb完全與熔化的SnAgCu焊球混合在一起。

3）在有鉛工藝中，有鉛焊膏與無(wú)鉛BGA的使用，必須將焊接溫度提高到235℃左右，峰值溫度為240℃，并且要保證一定的焊接時(shí)間使無(wú)鉛焊球充分熔化，使器件一側(cè)的焊球?qū)崿F(xiàn)二次回流，使器件一側(cè)的焊球合金充分熔化，焊球與器件的焊盤之間生成新的金屬間化合物，形成良好的電氣與機(jī)械連接。3）當(dāng)焊端為含Sn的無(wú)鉛鍍層時(shí)，采用Sn63/Pb37焊膏，只要在有鉛再流焊曲線上，將再流焊峰值溫度提到230℃即可。

4）當(dāng)焊端為含（Ag、Pd、Au）無(wú)鉛鍍層時(shí)，采用Sn63/Pb37焊膏，只要在有鉛曲線上，將再流焊峰值溫度提到235℃即可。總而言之，可以采用有鉛焊料焊接無(wú)鉛BGA。適當(dāng)提高再流焊峰值溫度，使得焊接過(guò)程中無(wú)鉛焊球熔化與焊盤合金層形成有力的結(jié)合層。

五.無(wú)鉛BGA混裝焊接中的冷焊現(xiàn)象

1.什么是電子裝聯(lián)焊接的冷焊？

在焊接中釬料與基體金屬之間沒(méi)有達(dá)到最低要求的潤(rùn)濕溫度；或者雖然局部發(fā)生了潤(rùn)濕，但冶金反應(yīng)不完全而導(dǎo)致的現(xiàn)象，可定義為冷焊。

2.冷焊的特征

PCB及元器件的可焊性不存在問(wèn)題，出現(xiàn)此現(xiàn)象的根本原因是焊接的溫度條件不合適。

3.冷焊產(chǎn)生的機(jī)理

冷焊發(fā)生的原因主要是焊接時(shí)熱量供給不足，焊接溫度未達(dá)到釬料的潤(rùn)濕溫度，結(jié)合界面上沒(méi)有形成IMC或IMC過(guò)薄，如圖5所示。

圖5未形成IMC層圖6未形成合金層，且有縫隙圖7脫落

有的情況下，界面上還存在著裂縫，如圖6所示。這種焊點(diǎn)，釬料是黏附在焊盤表面上的，有時(shí)表現(xiàn)得毫無(wú)連接強(qiáng)度可言。圖7所示為CSP芯片，由于冷焊，一受力芯片便撕裂下來(lái)。

器件與焊盤分離后，焊盤表面潔凈且呈金屬光澤，如圖8所示。它與分離后的虛焊點(diǎn)的焊盤表面是完全不同的，見圖9。

圖8 撕裂后的冷焊焊盤表面 圖9撕裂后的虛焊焊盤表面

4.冷焊焊點(diǎn)的判據(jù)

IMC生長(zhǎng)發(fā)育不完全、表面呈橘皮狀、坍塌高度不足，是BGA冷焊焊點(diǎn)具有的三個(gè)最典型的特征，這些特征通常可以作為BGA冷焊焊點(diǎn)的判據(jù)。

BGA冷焊點(diǎn)表面呈橘皮狀、坍塌高度不足，這是冷焊所特有的物理現(xiàn)象。其形成機(jī)理可描述如下：BGA在再流焊接時(shí)，由于封裝體的重力和表面張力的共同作用，正常情況下都要經(jīng)歷下述過(guò)程，即階段A開始加熱→階段B的第一次坍塌→階段C第二次坍塌著三個(gè)基本的階段，如圖10所示。

圖10 BGA再流焊接的物理化學(xué)過(guò)程

如果再流焊接過(guò)程只進(jìn)行到階段B的第一次坍塌，因熱量供給不足而不能持續(xù)進(jìn)行到階段C，便形成冷焊焊點(diǎn)。

（1）階段A：開始加熱時(shí)，BGA焊點(diǎn)部的形態(tài)如圖11所示。

圖11 開始加熱時(shí)的形態(tài) 圖12 焊球釬料接近或通過(guò)其熔點(diǎn)時(shí)刻的形態(tài)

（2）階段B

經(jīng)歷了第一階段加熱后的焊球，在接近和通過(guò)熔點(diǎn)溫度時(shí)，焊球?qū)⒔?jīng)受一次垂直塌落，直徑開始增大。此時(shí)的釬料處于一個(gè)液、固相并存的糊狀狀態(tài)。由于熱量不購(gòu)，焊球和焊盤之間冶金反應(yīng)很微弱，且焊球表面狀態(tài)是粗糙和無(wú)光澤的，如圖12所示。

（3）階段C

當(dāng)進(jìn)一步加熱時(shí)，焊料釬球達(dá)到峰值溫度，焊球與焊盤之間開始發(fā)生冶金反應(yīng)，產(chǎn)生第二次坍塌。此時(shí)焊球變平坦，形成水平的圓臺(tái)形狀，表面呈現(xiàn)平滑而光亮的結(jié)構(gòu)。界面合金層的形成大大地改善了焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能。此時(shí)芯片離板的高度與開始時(shí)的高度相比，減小了1/3~1/2，如圖13所示。

圖13 正常再流焊接后形成的焊點(diǎn)

從BGA在再流焊接中所發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程可知，冷焊焊點(diǎn)的形成幾乎都是在再流焊接的B階段時(shí)因加熱熱量補(bǔ)充不足。未能達(dá)到峰值溫度便結(jié)束了再流焊接過(guò)程而形成的。因此當(dāng)采用微光學(xué)視覺系統(tǒng)檢查BGA焊點(diǎn)的質(zhì)量時(shí)，便可以根據(jù)焊球表面橘皮狀的程度和坍塌高度，來(lái)判斷冷焊發(fā)生的程度。

5.冷焊的特征圖片

（1）連接強(qiáng)度

冷焊較嚴(yán)重的焊點(diǎn)界面，往往伴隨著貫穿性的裂縫，毫無(wú)強(qiáng)度可言，如圖14所示。

圖14 界面出現(xiàn)貫穿性裂縫

（2）冷焊焊點(diǎn)的外觀視覺圖像

1）焊點(diǎn)表面呈橘皮狀，如圖15所示。

圖15 焊點(diǎn)表面呈橘皮狀冷焊焊點(diǎn)微光學(xué)視覺圖像

2）焊膏再流不充分，如圖16所示。

圖16 焊膏再流不充分冷焊焊點(diǎn)微光學(xué)視覺圖像

3）坍塌高度不足：

僅發(fā)生了第一階段的坍塌，由于熱量不足，未進(jìn)入第二階段坍塌，如圖17所示。

圖17 坍塌高度不足冷焊焊點(diǎn)微光學(xué)視覺圖像

六.重點(diǎn)提示

1.無(wú)鉛BGA在PCBA上混裝焊接工藝質(zhì)量控制的重點(diǎn)是無(wú)鉛BGA器件用錫鉛焊料在Pb-Sn熱風(fēng)整平（HASL）鍍層或電鍍 Ni/Au 鍍層上用混裝回流焊曲線進(jìn)行焊接；混裝回流焊曲線的峰值溫度既不是有鉛焊接回流焊曲線的峰值溫度，也不是無(wú)鉛焊接回流焊曲線的峰值溫度。

為了確保焊接可靠性，不產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象，混裝回流焊曲線的峰值溫度應(yīng)保持在240℃，并根據(jù)實(shí)際情況予以適度調(diào)整。

2.選用混裝回流焊曲線后，回流焊接的峰值溫度比有鉛焊接回流焊接的峰值溫度高出較多，這對(duì)于元器件，尤其是MLCC是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。要確保MLCC的可靠性需要從PCB設(shè)計(jì)、元器件選用等多層環(huán)節(jié)采取措施；

（1） 實(shí)現(xiàn)片式陶瓷電容器高可靠焊接的前提和基礎(chǔ)是PCB的設(shè)計(jì)必須符合GJB3243和GJB4057的要求，具有可制造性性；如果PCB的設(shè)計(jì)違反可制造性設(shè)計(jì)和禁限用工藝原則，出現(xiàn)“共用焊盤”、“焊盤直接設(shè)計(jì)在大面積接地面上”或者“過(guò)孔設(shè)計(jì)在焊盤上又不作處理”等設(shè)計(jì)缺陷，MLCC的損壞是必然的；

（2）裝配焊接使用的PCB和元器件的工藝性能必須符合GJB3243的要求。如果使用的元器件焊端和PCB焊盤的可焊性不滿足工藝要求（包括鍍金焊盤不作除金搪錫處理），元件和PCB的耐熱性不符合GJB3243的要求等等，那么再先進(jìn)的工藝和焊接設(shè)備都是起不到作用。

1）元器件引線/焊端可焊性

元器件引線可焊性應(yīng)符合GJB 128A方法2026、GJB 360A方法107、圓形元器件引線可焊性應(yīng)符合GJB548B方法2003，帶狀元器件引線可焊性應(yīng)符合GJB548B方法2022的要求。表面組裝元器件引線（焊端）可焊性應(yīng)符合SJ10669的要求；導(dǎo)線及引線：錫鉛焊料覆蓋面積要達(dá)到95%以上為合格。

2）元器件耐熱性

①在PCBA上的采用有鉛焊接工藝的元器件應(yīng)能在215℃溫度下承受至少10個(gè)焊接周期的加熱；其焊接條件是：波峰焊時(shí)為260℃、10s，再流焊時(shí)為215℃、60s。

②無(wú)鉛元器件要能夠承受245℃、60s、5 次的再流焊接峰值溫度的考驗(yàn)而不壞。

③滿足有鉛元器件和無(wú)鉛元器件混裝焊接的回流焊接溫度需要。

3）耐焊接熱要求

軍用電子元器件的耐焊接熱必須符合GJB192B-2009的要求；GJB192B-2009規(guī)定了目前在航天軍工電子上廣泛使用的CCK41、CTK41、CCK4、CTK4、CT41、CC41等“有失效率登記的無(wú)包封多層片式瓷介固定電容器通用規(guī)范”；耐焊接熱試驗(yàn)規(guī)定如下：

①樣品安裝

電容器應(yīng)安裝在FR4玻璃樹脂版，采用SJ11186的焊錫量為60%、62%或63%的焊料膏，采用再流焊工藝將電容器焊在基板上，建議采用傳送帶再流焊或紅外再流焊工藝。推薦預(yù)熱升溫速率不超過(guò)4℃/s。再流焊峰值溫度范圍應(yīng)為（220~260）℃，直至焊料熔化再流動(dòng)形成均勻的焊縫，然后使基板和電容器在室溫中冷卻。

②耐焊接熱

樣品應(yīng)按①規(guī)定將電容器安裝在基板上，但預(yù)熱后基板的溫度為（260±5）℃，持續(xù)時(shí)間為（5±0.5）s。試驗(yàn)條件：GJB360B方法210耐焊接熱試驗(yàn)。

GJB360B方法210耐焊接熱試驗(yàn)用以確定元件是否能經(jīng)受得起在焊接（烙鐵焊、浸焊、波峰焊或再流焊）端頭過(guò)程中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，測(cè)試條件按表5。

表5 測(cè)試條件

模擬的焊接方式	試驗(yàn)條件	溫度℃	時(shí)間s	溫度變化速率/侵入和拔出速率	熱循環(huán)次數(shù)
烙鐵焊	A	350±10（烙鐵溫度）	4~5	—	1
浸焊	B	260±5（焊料溫度）	10±1	25mm/s±6mm/s
波峰焊（模擬元件安裝在印制板頂部）	C	260±5（焊料溫度）	20±1	—
波峰焊（模擬元件安裝在印制板底部）	D	260±5（焊料溫度）	10±1	溫度在100℃以下時(shí)以 1℃/s~4℃/s的速率加熱。 25mm/s±6mm/s
氣相再流焊	H	215±5（蒸汽溫度）	60±5	—
紅外對(duì)流再流焊	I	215±5（元件溫度）	30±5	1℃/s~4℃/s： 溫度高于183℃時(shí)持續(xù)90s~120s	3
	J	235±5（元件溫度）
	K	250±5（元件溫度）

（3）卡住元器件驗(yàn)收保管關(guān)，確實(shí)按元器件的技術(shù)要求進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)收。

1）按GJB3243和SJ/T 10669的要求對(duì)片式電容器的可焊性、耐熱性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2）加強(qiáng)對(duì)陶瓷片式電容器的篩選：對(duì)陶瓷片式電容器用C型掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM）和掃描激光聲學(xué)顯微鏡（SLAM）進(jìn)行篩選。

3）嚴(yán)格元器件存放、保管

GJB3243規(guī)定：電子元器件“包裝開封后應(yīng)在溫度25±2℃、相對(duì)濕度55%-70%的條件下，在存放時(shí)間48小時(shí)內(nèi)焊接仍能滿足焊接技術(shù)要求”；如不具備上述條件，則電子元器件表面很容易氧化，氧化不但容易產(chǎn)生虛焊，而且會(huì)造成焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致片式電容器斷裂。

審核編輯：湯梓紅