第2章 影响现代电子装联工艺可靠性的因素
2.1 概述
2.1.1 现代电子装联工艺可靠性的内涵
电子产品由各种电子元器件组装而成，在组装过程中最大量的工作就是焊接。焊接的可靠性直接威胁整机或系统的可靠性，换言之，焊接的可靠性已成为影响现代电子产品可靠性的关键因素。它直接关系到国计民生，在各行各业中广泛使用的电子产品的可靠性的高低，以及国防军事装备能否正常运转都与之息息相关。有人说在现代高度信息化战争中，军事行动成败的关键取决于电子装备的精度和可靠性。这就是为什么世界各国都非常重视焊接技术可靠性研究的原因。
显然，解决现代电子产品工艺可靠性问题，首先就要解决焊接中的不良问题，而解决焊接中的不良现象，最突出的就是要关注BGA、CSP等一系列新型密脚封装芯片的焊接问题。研究和解决电子产品后工序的焊接可靠性及加固等问题对整个电子产品系统可靠性影响的权重也正在快速地增加中。
综上所述，可以把电子产品在后工序制造中所发生的将要影响系统可靠性的各种质量现象，统一划归为电子装联工艺可靠性的研究范畴。
2.1.2 现代电子装联焊接过程中的缺陷现象
为了更好地理解焊接可靠性对改善现代电子装备系统可靠性的影响及重要程度，首先，应了解现代电子装备的焊接工艺方法，分析和归纳在组装过程中所有可能会产生的影响可靠性的因素。
1.焊接过程中所发生的物理现象
现代电子装联焊接工艺方法，主流是波峰焊接工艺和再流焊接工艺，以及利用蒸汽的气相焊法（VPS），传统的手工烙铁焊接工艺仅作为一种补充和个别缺陷焊点返修用。
下面以再流焊接工艺为例，简要地介绍一下焊接过程中所发生的主要物理现象，如图2.1所示。
图2.1 焊接过程中发生的主要物理现象
在焊盘上印刷焊膏并贴装好元器件，然后进入再流焊接炉中并在再流炉中的温度作用下，焊膏中助焊剂的活性物质被激活发生化学反应去除基体金属表面的氧化物，熔融焊料润湿基体金属表面并在界面上发生冶金反应，形成所需要的金属间化合物层，达到电气连接的目的。
2.与焊点缺陷相关联的影响因素
焊接条件的好坏，将涉及对焊接接续部分可靠性的影响，直接威胁电子产品早期故障率及寿命期的长短。例如，采用有铅焊料Sn37Pb时其再流焊接温度的典型炉温曲线如图2.2所示；而采用无铅SnAgCu时其再流焊接的典型的炉温曲线如图2.3所示。选用不当就必然影响焊点的可靠性。
图2.2 Sn37Pb的典型再流焊接炉温曲线
图2.3 SnAgCu的典型再流焊接炉温曲线
不同的焊接条件和炉温曲线对焊点的形成质量影响如下。
●升温速度，影响温度的均匀性；
●预热温度和时间，影响助焊剂的活性和基板上温度的均匀性；
●峰值温度和保持时间，影响钎料的润湿性和界面合金层的生成质量；
●冷却速度，影响熔融钎料的固化和焊点的微组织结构，决定钎料初期的结晶组织质量。
除此以外，再流炉内的气氛、加热手段及气流的方向和强度等，也将对焊接的状态构成很大的影响。若能对这些条件进行恰当组合，就能确保获得高可靠性的焊接连接，相反就会使得焊接连接的可靠性变得低劣。
对在被连接的界面附近发生的组织和结构的不良表现，将会对焊点可靠性造成影响，如图2.4所示。
图2.4 表面安装所产生的各种缺陷
为了更好地理解焊接时在界面形成的金属间化合物层，过厚的金属间化合物，对高可靠性安装来说实际上是一种妨碍。因为金属间化合物与构成基板和电子元器件等的材料有不同的热膨胀率和杨氏模量等物理特性，如表2.1所示，既硬又脆。为此，只要从焊接温度下一冷却，就会因热膨胀失配而产生变形，严重时还会产生龟裂。然而同样从焊点可靠性出发，该层又不能没有，若没有肯定该焊点不是虚焊就是冷焊。问题是在工艺上如何控制其厚度在所要求的范围。
表2.1 有代表性的结晶的热膨胀率和杨氏模量
对界面金属间化合物形成的确认，是判断焊接是否良好的依据。假如在界面上见不到金属间化合物，则表示界面已被污染或氧化了导致焊料不能润湿。
图2.5示出了采用SnZn焊料在无助焊剂的典型的焊接界面上，由于SnZn合金容易氧化，若没有合适的助焊剂配合的话，即使是在真空中焊接，氧化膜的影响也是很强的，被焊接的电极也是不能润湿的。在照片中，形成了界面化合物的区域就是润湿了的区域，而见不到化合物的区域是由于氧化变成了不能形成界面金属间化合物的地方。
图2.5 用SnZn焊料和Cu的界面上产生的润湿不良
焊料在电极上润湿而形成化合物，这一冶金现象，可以将其作为界面层形成的指标。由此可知，所期望的在界面上所形成的金属间化合物，应该是厚度均匀且无缺口的状态。
钎料在电极上润湿时，在界面上可能存在异物卷入或存在气泡的痕迹。后者受存在的氧化膜的影响很大，这些气泡存在于焊料圆角内部或界面上，可能将导致焊接强度的弱化。因此，对焊接场地的控制要求是，焊接场地空间尘埃要少，要避免异物的混入，要防止PCB基板的污染和氧化，同时要加强对焊料的管理。
焊接温度过高或者在峰值温度下滞留的时间过长，这在促进界面反应，加速金属间化合物层生成的同时，也是形成空隙的条件。这种在焊接过程中由于元素原子扩散沿方向上的差异所导致的空隙，称为柯肯多尔效应。这是在焊接过程中所发生的现象。由于孔隙是洞穴，不言而喻将使界面的强度降低。为此，加强对焊接温度曲线的管理是非常重要的。
另一个使人困扰的现象是电极侧在焊接前因劣化导致的黑色焊盘现象。这是由于在电镀过程中所发生的腐蚀现象而隐藏于基板上的。由于该现象在焊接时看起来是正常的，但在生产和市场服役中却屡次引起故障。显然，它是导致焊接时界面反应形成黑色焊盘的一个原因。因此，应该将黑盘问题纳入基板的质量保证和验收的条款内。
焊接结束后熔融焊料凝固时，体积要缩小，焊接这个特性的重要性是最近的研究才弄清楚的。在焊接安装基板时，使焊料凝固过程照原样状态进行。保持焊料凝固的组织状态自然是很重要的。特别是无铅波峰焊接场合，产生的焊盘剥离、凝固裂纹或形成硬而脆的金属间化合物等特殊现象，这些现象在后续相关章节将深入讨论，此处就不再赘述了。
焊盘剥离的典型状态如图2.6所示。这些凝固缺陷的形成及其影响因素的管理项目主要有：焊料合金元素、镀层元素、焊料成分的管理（特别是波峰焊接钎料槽中的钎料成分的管理），元器件和基板设计形状，冷却条件等。
图2.6 在Sn2Bi的金属化孔所产生的剥离现象
2.1.3 应用中焊点可靠性的蜕变现象
作为焊接后的PCBA等制品，装入机柜内便可以进入实际的工作状态，通常均称为焊接制品。由于产品使用条件千差万别，因此，电气、电子机器种类也是成千上万。为此必须确保每一种产品的可靠性，这应成为每一个产品设计和制造工艺的基准。
首先，要把影响产品寿命及影响温度周期等指标作为通用的指标。对此，各产品之间的差异如表2.2所示。
表2.2给出了有代表性的电子产品的温度周期条件。在家庭里使用的电气制品有代表性的有电视机、冰箱及空调机等，基板上的温度不那么高，一般考虑为从0℃附近到60℃的平均值。仅从市场发生的故障来看，主要是等离子电视机的电源故障。虽然故障原因的详细情况尚未公开，然但电源回路运行时的温升是可以预测的，大概保证100℃工作的可靠性是必要的。
表2.2 有代表性的电子制品的温度条件、周期数及期待的寿命
笔记本电脑比台式电脑使用的条件更严。在室外的极寒状态工作易发生电源不运行，在炎热天气的车厢内严酷的温度下暴露，由于高集成化和CPU的高发热而导致温度上升。移动电话的工作环境与上述基本相同。不论如何，最严酷的条件是汽车车厢内，特别是引擎附近以及从极寒地区到炎热的沙漠。卫星比战斗机条件更严酷。
电子装备在应用中产生的缺陷而可能导致装备失效的问题的描述如图2.7所示。
图2.7 电子装备在应用中所产生的各种缺陷
在市场服役中发生的故障，大多数都具有复合因素综合作用的结果。据统计，凡涉及BGA、CSP芯片的故障，几乎有90%是发生在焊接部分，分析其影响因素几乎都具有复合性。
再如，由高温储存所导致的产品劣化现象，这是由于接续界面金属间化合物层在持续地生长，导致其生长得过厚所带来的后果。另外，由于人们在操作中反复开关机器时所施加于机器等的周期性应力造成的机械疲劳、振动等也是导致失效的原因。不过该类缺陷一般是比较容易排除的。例如，图2.8示出了某音响产品所产生的故障的案例。该产品所用焊料是Sn37Pb共晶成分，基板材料是FR4，已经在室内运转了5年左右，在耳机塞孔的金属化孔的焊接圆角产生了龟裂而导致工作不良。进一步分析其形成原因：假如一天插拔一次，那么一年是365次，5年后共经受了1 825次。显然就是这1 825次反复作用的应力，使焊点出现了机械疲劳而导致焊盘圆角发生龟裂，从而丧失了正常工作能力。