关于焊锡机理与焊点可靠性的深度探研
在现代电子装联工艺中，电子组装焊接使用的是以锡基为主的软钎料，通过熔融的钎料合金与被焊金属表面之间生成金属间化合物（IMC），从而实现被焊接金属之间的电气和机械连接。而这个过程经过了表面润湿、原子间扩散、溶解、冶金结合，涉及到物理学、化学、冶金学、材料学等多门学科，是一种复杂的化学反应。 焊接种类 焊接概述 焊接种类通常分为3类，分别是熔焊、压焊以及钎焊（见图1）。焊接学中，把焊接温度低于450℃的焊接称为软钎焊，而PCBA电子装联中使用的是软钎焊（锡基钎料），钎料是指为了实现两种材料（或零件）的结合，在其间隙内或间隙旁所加的填充物。 图1 焊接种类 焊接方法 电子装联常用的焊接方法有如下7种，手工焊接（烙铁）、浸焊、回流焊、传统波峰焊、选择性波峰焊、焊接机器人、热压焊。 随着激光技术的成熟，价格成本的降低，在一些电装领域，已经导入了激光钎焊并获得了不错的效果，为大范围推广打下了基础。 软钎焊特点 软钎焊主要表现如下特点： ① 钎料熔点低于焊件熔点； ② 加热到钎料熔化，润湿焊件； ③ 焊接过程焊件不熔化； ④ 焊接过程需要加焊剂（清除氧化层）； ⑤ 焊接过程可逆（解焊）。 焊接机理 焊接过程是焊接金属表面、助焊剂、熔融焊料和空气之间相互作用的复杂过程。熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面进行润湿、发生扩散、溶解、冶金结合，并与两个或多个被焊接金属表面之间生成金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）,从而实现被焊接金属之间电子与机械连接技术。 形成良好焊点的关键： ① 在界面处形成良好润湿； ② 形成合适的金属间化合物。 焊点可靠性 什么是可靠性 根据GJB 451A的定义，“可靠性”是描述产品在规定的时间（t>0），在规定的条件下完成规定功能的能力。 三个重要方面（三规定）： ① 规定时间（泛指寿命单位）； ② 规定条件（热、机械、化学、电磁、电化学等）； ③ 规定功能（技术、性能指标）。 能力是指产品本身固有特性，可用概率度量，如可靠度、失效率、 也可用时间度量，如MTBF（平均无故障时间）值。 图2 电子元件与SMT焊点的“浴盆”曲线对此 质量与可靠性的关系 质量是一组固有特性满足需求的程度，即符合要求。质量管理关注的是t=0时刻点的质量，即产品的出货合格率，关注控制产品过程的一致性、稳定性，是“今天的质量”。 可靠性是三规定下的能力，关注t=0时刻点合格的产品在t>0时的表现，是“明天的质量”，展现了产品质量的时间特性。 两者之间的关系是可靠性是产品质量的重要内涵。需要关注产品全生命周期，即产品从设计、生产使用、保障、退役到材料回收的全过程，见图3。 图3 产品全生命周期 什么是失效 丧失功能或降低到不能满足规定的要求。 应力（载荷）>强度=产品失效 应力（载荷）<强度=产品正常 应力是驱动产品完成功能所需的动力和加在产品上环境条件，是产品退化的诱因，强度时抵抗应力的能力。 失效阶段 失效分为三个阶段，分别是早期失效、随机失效和损耗失效。 ① 早期失效：工艺、材料缺陷和设计裕度不足，主要通过工艺质量控制解决，过应力裕度解决。 ② 随机失效：外界环境突变等，人为、环境因素是主要影响因素，通过规范操作、降额使用解决。 ③ 损耗失效：结构磨损、材料老化是主要因素，通过固有寿命、工艺可靠性设计解决。 图4 浴盆曲线（失效阶段） 电子装联的可靠性 以4D彩超为例，产品由几十种部件构成，如五金结构件、塑胶件、线材、显示屏、硅胶按钮、电子组件（PCBA）等，而最核心部件是电子组件，是产品的大脑中枢。 电子组件（PCBA）的可靠性包括焊点可靠性、PCB可靠性及电子器件可靠性。对PCBA加工来说最主要关注自身的加工可靠性，即焊点互联可靠性，形成良好互联的焊点。 理想的焊接质量模型 日本学者管沼克昭从可靠性观点出发，归纳出理想界面的质量模型（见图5），涉及到六个方面，其中最主要的就是形成平坦的反应层界面。或者说，评价一个良好焊点的关键就是是否生成了合适的金属间化合物（IMC）。 图5焊接质量模型 焊点质量的判定，业内通常采用IPC的外观检验标准，特别是量化指标“接触角”，但仅是通过焊点的外观判定显然是不完善的，还需观察焊点的微观形貌，金属学基本原理指出，焊点的显微结构决定其性能，下述这个切片实例就可以说明。 金属间化合物（IMC） IMC定义 金属间化合物（IMC）是指两个或更多的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。简单的讲就是由金属元素按各种原子量比以化学结合方式结合在一起的化合物。 以下是焊点内部构造的金相图（图6），可以观察到焊点的微观形貌。 图6 焊点内部构造图 IMC的特性 金属间化合物（IMC）一般是既硬又脆的，厚度越厚反而其焊点强度越差，图7就是金属间化合物厚度与抗拉强度的关系。 图7 金属间化合物厚度与强度的关系 IMC的评价 什么样的金属间化合物（IMC）是我们所追求的呢，业内比较公认的说法是，焊接后焊点界面长出合金层IMC，且长得平坦、均匀、连续即可，具体来说，主要用以下3点来评价。 ① 厚度均匀 关于IMC的厚度，业内说法不一，但比较认可的观点是IMC的平均厚度在1~4um，且最低值不低于0.5um是比较良性的合金层 ，太薄的合金层（<0.5um）焊点可能呈冷焊状，强度不够。 ② 形貌良好 良性的IMC的形貌是成扇贝状，连续、均匀的界面，但随着焊接温度、时间及扩散的增加，IMC加速生长，形貌从最初的扇贝状转变成屋脊状，最终形成恶性的棱镜状，其所承受的内应力在增加，机械强度在弱化，变化过程如下所示。 ③ 结构成分合适 金属间化合物的厚度与温度和时间的平方根成线性增长，界面间的持续扩散不仅会导致IMC厚度的增加，而且会导致 IMC结构与成分的变化。 失效分析流程与工具 失效分析逻辑 失效分析：对已失效产品进行的一种事后检查。其目的是定位失效点、找出失效机理、得出永久性预防方案。这些分析工具用在焊点评价时，就成了焊点工艺评价的项目。 失效分析流程 失效分析工具 失效分析工具主要包括失效定位、外观检查、无损分析、有损分析、理化分析等，以下分析工具都是业内最常见的工具，一些先进的分析技术未做展示。 失效定位 ① 红外热像显微镜：展示热分布以及热点温度，定位异常区域及故障点。 外观检查 ① 显微镜：外观检查工具，有普通、金相显微镜及光学3D显微镜，主要作用是外观检查。 1）普通、金相显微镜 2）3D立体显微镜 ② X-RAY：X射线透射检测，分为2D和3D/CT，主要作用是检查底部低支撑器件的焊接质量。 1）2D X-RAY设备/图像展示 2）3D X-RAY设备/CT图像展示 无损分析 ① C-SAM：反射式超声波扫描显微镜，主要作用是检查器件、材料以及PCB与PCBA内部的各种缺陷，包括裂纹、分层、夹杂物以及空洞等。 有损分析 ① 金相切片：元器件/PCB内部微观结构、焊点的真实焊接状况。 ② 染色分析：检查BGA焊点裂缝及虚焊，观察失效BGA焊点的几何分布。 理化分析 ① SEM（电子扫描显微镜）：用来对焊点金相组织、金属间化合物、端口分析的形貌观察与测量。 EDS（X射线能谱仪）：利用不同元素在电子跃迁时激发的特性X射线不同来识别元素的化学成分。 ② FTIR（红外显微镜分析）：利用不同有机物对红外光谱不同吸收原理，分析有机物成分，结合显微镜可使可见光与红外光同光路，就可以分析微量的有机污染。
