PCBA冷焊分析（1）

                                                                                                   
一.概述在电子产品装联焊接中，虚焊现象一直是困扰焊点工作可靠性的一个最突出
的问题，特别是在高密度组装和无铅焊接中，此现象更为突出。历史上电子产品
(包括民用和军用）因虚焊导致失效而酿成事故的案例不胜枚举。虚焊现象成因复杂、影响面广、隐蔽性大，因此造成的损失也大。在实际工
作中为了查找一个虚焊点，往往要花费不少的人力和物力，而且根治措施涉及面
广，建立长期稳定的解决措施也不容易。因此虚焊问题一直是电子行业关注的焦点。
在现代电子装联焊接中，冷焊是间距<0.5mm^BGA、CSP封装芯片再流焊
接中的一种高发性缺陷。在这类器件中，由于焊接部位的隐蔽性，热量向焊球焊
点部位传递困难，因此冷焊发生的概率比虚焊还要高。然而由于冷焊在缺陷现象
表现上与虚焊非常相似，因此往往被误判为虚焊而被掩盖。在处理本来是由于冷
焊现象而导致电路功能失效的问题时，往往按虚焊来处理，结果是费了劲恰效果
甚微。冷焊与虚焊造成的质量后果形式相似，但形成的机理恰不一样，不通过视觉
图像甄别，就很难将虚焊和冷焊区别开来。它们在生产过程中很难完全暴露出来，
往往要用户使用一段时间（短则几天，长则数月甚至一年）后才能暴露无遗。因
此不仅造成的影响极坏，后果也是严重的。在前期，笔者已经就虚焊焊接缺陷问题陆续发表了“虚焊及其检测”，“金属
间化合物-IMC解读”，“关于虚焊的讨论”以及《“用AOI判别虚焊”中虚焊的定义及特征部位的判读》等论文，现在再叙述什么是冷焊？冷焊发生的机理，冷焊
焊点的判据，冷焊焊点缺陷程度分析，诱发冷焊的原因及其对策，以及虚焊和冷
焊的异同点。二.冷焊1.定义和特征在焊接中钎料与基体金属之间没有达到最低要求的润湿温度；或者虽然局部
发生了润湿，但冶金反应不完全而导致的现象，可定义为冷焊，如图1所示。

它表明PCB及元器件的可焊性不存在问题，出现此现象的根本原因是焊接
的温度条件不合适。2.机理冷焊发生的原因主要是焊接时热量供给不足，焊接温度未达到钎料的润湿温
度，因而结合界面上没有形成IMC或IMC过薄，如图2所示。有的情况下，界
面上还存在着裂缝，如图3所示。
这种焊点，钎料是黏附在焊盘表面上的，有时表现得毫无连接强度可言。图
4所示为一块PCBA上的CSP芯片，由于冷焊，一受力芯片便撕裂下来。器件与
焊盘分离后，焊盘表面洁净且呈金属光泽，如图5所示。它与分离后的虚焊点的
焊盘表面是完全不同的。
.冷焊焊点的判据IMC生长发育不完全、表面呈橘皮状、坍塌高度不足，是^BGA、CSP冷焊
焊点具有的三个最典型的特征，这些特征通常可以作为^BGA、CSP冷焊焊点的
判据。1)再流焊接中IMC生长发育不完全（前面已经进行了分析和介绍，此处不再重
复）2)表面橘皮状和坍塌高度不足^BGA、CSP冷焊点表面呈橘皮状、坍塌高度不足，这是冷焊所特有的物理
现象。其形成机理可描述如下：^BGA、CSP在再流焊接时，由于封装体的重力和表面张力的共同作用，正
常情况下都要经历下述过程，即阶段A开始加热―阶段B的第一次坍塌一&#9658;阶
段C第二次坍塌着三个基本的阶段，如图6所示。如果再流焊接过程只进行到阶段B的第一次坍塌，因热量供给不足而不能持续进行到阶段C，便形成冷焊焊点。
图6 ^BGA、CSP再流焊接的物理化学过程(1)阶段A开始加热时，^BGA、CSP焊点部的形态如图7所示。
(2)阶段B经历了第一阶段加热后的焊球，在接近和通过熔点温度时，焊球将经受一次
垂直塌落，直径开始增大。此时的钎料处于一个液、固相并存的糊状状态。由于
热量不购，焊球和焊盘之间冶金反应很微弱，且焊球表面状态是粗糙和无光泽的，
如图8所示。
(3)阶段C当进一步加热时，焊料钎球达到峰值温度，焊球与焊盘之间开始发生冶金反
应，产生第二次坍塌。此时焊球变平坦，形成水平的圆台形状，表面呈现平滑而
光亮的结构。界面合金层的形成大大地改善了焊点的机械强度和电气性能。此时
芯片离板的高度与开始时的高度相比，减小了1/3&#12316;1/2，如图9所示。从上面描述的^BGA、CSP在再流焊接中所发生的物理化学过程可知，冷焊
焊点的形成几乎都是在再流焊接的B阶段时因加热热量补充不足。未能达到峰值
温度便结束了再流焊接过程而形成的。因此当采用微光学视觉系统检查^BGA、
CSP焊点的质量时，便可以根据焊球表面橘皮状的程度和坍塌高度，来判断冷焊
发生的程度。4.冷焊焊点缺陷程度分析轻微的冷焊是一种隐匿缺陷，在良好的使用环境中，一段时间内也不会严重
影响产品的正常功能。因为IMC的生长不仅是温度的函数，与时间也有关系。
再流焊接时虽然IMC发育不完善，但在使用中仍可继续生长、发育，只不过生长速度非常缓慢而已。为了对冷焊发生的程度有个较准确的定位和评估，我们按
ERSACOPE实际观察的结果，根据其外观特征，暂将其划分为A类（轻微冷焊)、
B类（中等程度冷焊）和C类（严重冷焊）3个等级，如图10所示。
根据实际观察的结果，发现A、B两类最常见。进一步对A、B、C三类
焊点进行金相切片分析，结果如下。1)A类A类焊点切片分析的镜像如图11所示，界面IMC(合金）形成不明显，具
有冷焊的特征，但界面结合严密，且未见微裂纹。5.诱发冷焊的原因及其对策1) ^BGA、CSP在热风再流焊接中冷焊率高的原因热风对流是以空气作为传导热量的媒介，对加热那些从PCB面上“凸出”的元
器件，如高引脚与小元器件是理想的。可是，在该过程中，由于对流空气与PCB
之间形成的“附面层”的影响，此时^BGA、CSP与PCB表面的间隙已接近附面层
厚度，热风已很难透入底部缝隙中，因而使热传导到如^BGA、CSP底部焊盘区
时，传导效率就将明显降低，如图14所示。
在上述状态下，^BGA、CSP再流焊接过程中，热量传递就只能是^BGA、
CSP封装体和PCB首先加热，然后依靠封装体和PCB基材等热传导到焊盘和
^BGA、CSP的钎料球，形成焊点。例如，如果240°C的热空气作用在封装表面，
焊盘与^BGA、CSP钎料球将逐渐加热，温度上升的程度与其他元器件相比将出
现了一个滞后时间，假如不能在要求的再流时间内上升到所要求的润湿温度，便
会发生冷焊。2)解决^BGA、CSP冷焊发生率高的可能措施(1)采用梯形温度曲线（延长峰值温度时间）适量降低再流峰值温度，而延长峰值温度时间，可以改善消热容量元器件与
大热容量元器件间的温差，避免较小元器件的过热。一个现代复合式再流焊系统可将45mmBGA与小型引脚封装（SOP)的封装
体之间的温差减小到8C。(2)改进再流焊接热量的供给方式再流焊接就是将数以千计的元器件焊在PCB基板上。若在一块PCB上同时
存在质量大小、热容量、面积不等的元器件时，就会形成温度的不均匀性。目前采用此种加热方式就热交换而言，热传输性比红外线差，因而生产效率不如
红外线加热方式高，耗电也较多。另外，由于热传输性小，受元器件体积大小的
影响，各元器件间的升温速率的差异将变大。在强制热风对流再流焊接设备中循环气体的对流速度至关重要。为确保循环
气体能作用于PCB的任一区域，气流必须具有足够大的速度或压力。这在一定
程度上易造成薄型PCB基板的抖动和元器件的位移等问题。②红外线加热。红外线（IR)是具有3&#12316;10^m波长的电磁波。通常PCB、助
焊剂、元器件的封装等材料都是由原子化学结合的分子层构成的，这些高分子物
质因分子伸缩、变换角度而不断振动。当这些分子的振动频率与相近的红外线电
磁波接触时，这些分子就会产生共振，振动就变得更激烈。频繁振动会发热，热
能在短时间内能够迅速均等地传到整个物体。因此，物体不需要从外部进行高温红外线加热再流焊接的优点是：按照射的同一物体表面呈均匀的受热状态，
被焊件产生的热应力小，热效率高，因而可以节省能源。而它的缺点是：按同时照射的各物体，因其表面色泽的反光程度及材质不同，
彼此间吸收的热量的不同而导致彼此间出现温差，个别物体因过量吸收热能而可
能出现过热。③"IR+强制对流”是解决^BGA、CSP冷焊的主要技术手段。国外业界针对
QFP140P与PCB之间、45mm的BGA与PCB之间的焊接发现，当分别只有对
流加热或"IR+强制对流”复合加热系统时，在两种条件下加热的温度均匀性差异
如下：a)对流加热QFP140P与PCB之间的温差为22C;b) "IR+强制对流”加热QFP140P与PCB之间的温差只有7C，而对45mm
的BGA温差进一步减小到3C。“IR+强制对流”加热的基本概念是：使用红外线作为主要的加热源达到最佳
的热传导，并且抓住对流的均衡加热特性以减小元器件与PCB之间的温差。对
流加热方式在加热大容量的元器件时有帮助，通知对较小热容量元器件过热时的
冷却也有帮助。
①代表具有大热容量元器件的加热曲线；②是小热容量元器件的加热曲线。如果只使用一个热源，不管是IR还是对流，都将发生如图17粗实线所示的
加热效果。图中二虚线描述的加热曲线显示了“IR+强制对流”复合式加热的优点
(AT2<AT1)。这里增加强制对流的作用是：加热低于热空气温度的元器件；同
时冷却已经升高到热空气温度之上的元器件。目前最先进的再流炉技术结合了对流域红外辐射加热两者的优点。元器件之
间的最大温差可以保持在8C以内，同时在连续大量生产期间PCB之间的温差可
稳定在大约1C。^BGA、CSP冷焊现象的发生，与其在PCB上的安装位置也有很大的关系。
图168所示为两个CSP芯片（IC/A和IC/B)共同装在一个屏蔽罩内，芯片IC/A
外形尺寸和厚度比芯片IC/B小而薄，而且它与屏蔽罩框之间有较大的间隔空间。
从热风再流焊接的效果看，IC/A应该比芯片IC/B好。