SMT工藝不良與組裝可靠性

第一部分  工藝基礎 1
第1章  概述 3
1.1  電子組裝技術的發展 3
1.2  表面組裝技術 4
1.2.1  元器件封裝形式的發展 4
1.2.2  印製電路板技術的發展 5
1.2.3  表面組裝技術的發展 6
1.3  表面組裝基本工藝流程 7
1.3.1  再流焊接工藝流程 7
1.3.2  波峰焊接工藝流程 7
1.4  表面組裝方式與工藝路徑 8
1.5  表面組裝技術的核心與關鍵點 9
1.6  表面組裝元器件的焊接 10
案例1 QFN的橋連 11
案例2 BGA的球窩與開焊 11
1.7  表面組裝技術知識體系 12
第2章  焊接基礎 14
2.1  軟釺焊工藝 14
2.2  焊點與焊錫材料 14
2.3  焊點形成過程及影響因素 15
2.4  潤濕 16
2.4.1  焊料的表面張力 17
2.4.2  焊接溫度 18
2.4.3  焊料合金元素與添加量 18
2.4.4  金屬在熔融Sn合金中的溶解率 19
2.4.5  金屬間化合物 20
2.5  相點陣圖和焊接 23
2.6  表面張力 24
2.6.1  表面張力概述 24
2.6.2  表面張力起因 26
2.6.3  表面張力對液態焊料表面外形的影響 26
2.6.4  表面張力對焊點形成過程的影響 26
案例3  片式元件再流焊接時焊點的形成過程 26
案例4  BGA再流焊接時焊點的形成過程 27
2.7  助焊劑在焊接過程中的作用行為 28
2.7.1  再流焊接工藝中助焊劑的作用行為 28
2.7.2  波峰焊接工藝中助焊劑的作用行為 29
案例5  OSP板採用水基助焊劑波峰焊時漏焊 29
2.8  可焊性 30
2.8.1  可焊性概述 30
2.8.2  影響可焊性的因素 30
2.8.3  可焊性測試方法 32
2.8.4  潤濕稱量法 33
2.8.5  浸漬法 35
2.8.6  鋪展法 35
2.8.7  老化 36
第3章  焊料合金、微觀組織與性能 37
3.1  常用焊料合金 37
3.1.1  Sn-Ag合金 37
3.1.2  Sn-Cu合金 38
3.1.3  Sn-Bi合金 39
3.1.4  Sn-Sb合金 39
3.1.5  提高焊點可靠性的途徑 40
3.1.6  無鉛合金中常用添加合金元素的作用 40
3.2  焊點的微觀結構與影響因素 42
3.2.1  組成元素 42
3.2.2  工藝條件 44
3.3  焊點的微觀結構與機械性能 44
3.3.1  焊點（焊料合金）的金相組織 45
3.3.2  焊接介面金屬間化合物 46
3.3.3  不良的微觀組織 50
3.4  無鉛焊料合金的表面形貌 61

第二部分  工藝原理與不良 63
第4章  助焊劑 65
4.1  助焊劑的發展歷程 65
4.2  液態助焊劑的分類標準與代碼 66
4.3  液態助焊劑的組成、功能與常用類別 68
4.3.1  組成 68
4.3.2  功能 69
4.3.3  常用類別 70
4.4  液態助焊劑的技術指標與檢測 71
4.5  助焊劑的選型評估 75
4.5.1  橋連缺陷率 75
4.5.2  通孔透錫率 76
4.5.3  焊盤上錫飽滿度 76
4.5.4  焊後PCB表面潔淨度 77
4.5.5  ICT測試直通率 78
4.5.6  助焊劑的多元化 78
4.6  白色殘留物 79
4.6.1  焊劑中的松香 80
4.6.2  松香變形物 81
4.6.3  有機金屬鹽 81
4.6.4  無機金屬鹽 81
第5章  焊膏 83
5.1  焊膏及組成 83
5.2  助焊劑的組成與功能 84
5.2.1  樹脂 84
5.2.2  活化劑 85
5.2.3  溶劑 87
5.2.4  流變添加劑 88
5.2.5  焊膏配方設計的工藝性考慮 89
5.3  焊粉 89
5.4  助焊反應 90
5.4.1  酸基反應 90
5.4.2  氧化-還原反應 91
5.5  焊膏流變性要求 91
5.5.1  黏度及測量 91
5.5.2  流體的流變特性 92
5.5.3  影響焊膏流變性的因素 94
5.6  焊膏的性能評估與選型 96
5.7  焊膏的儲存與應用 100
5.7.1  儲存、解凍與攪拌 100
5.7.2  使用時間與再使用注意事項 101
5.7.3  常見不良 101
第6章 PCB表面鍍層及工藝特性 106
6.1  ENIG鍍層 106
6.1.1 工藝特性 106
6.1.2 應用問題 107
6.2  Im-Sn鍍層 108
6.2.1 工藝特性 109
6.2.2 應用問題 109
案例6 鍍Sn層薄導致虛焊 109
6.3  Im-Ag鍍層 112
6.3.1 工藝特性 112
6.3.2  應用問題 113
6.4 OSP膜 114
6.4.1 OSP膜及其發展歷程 114
6.4.2 OSP工藝 115
6.4.3 銅面氧化來源與影響 115
6.4.4 氧化層的形成程度與通孔爬錫能力 117
6.4.5 OSP膜的優勢與劣勢 119
6.4.6 應用問題 119
6.5 無鉛噴錫 119
6.5.1 工藝特性 120
6.5.2 應用問題 122
6.6 無鉛表面耐焊接性對比 122
第7章 元器件引腳/焊端鍍層及工藝性 124
7.1 表面組裝元器件封裝類別 124
7.2 電極鍍層結構 125
7.3 Chip類封裝 126
7.4 SOP/QFP類封裝 127
7.5 BGA類封裝 127
7.6 QFN類封裝 127
7.7 外掛程式類封裝 128
第8章  焊膏印刷與常見不良 129
8.1  焊膏印刷 129
8.2  印刷原理 129
8.3  影響焊膏印刷的因素 130
8.3.1  焊膏性能 130
8.3.2  範本因素 133
8.3.3  印刷參數 134
8.3.4  擦網/底部擦洗 137
8.3.5  PCB支撐 140
8.3.6  實際生產中影響焊膏填充與轉移的其他因素 141
8.4  常見印刷不良現象及原因 143
8.4.1  印刷不良現象 143
8.4.2  印刷厚度不良 143
8.4.3  汙斑/邊緣擠出 145
8.4.4  少錫與漏印 146
8.4.5  拉尖/狗耳朵 148
8.4.6  塌陷 148
8.5  SPI應用探討 151
8.5.1  焊膏印刷不良對焊接品質的影響 151
8.5.2  焊膏印刷圖形可接受條件 152
8.5.3  0.4mm間距CSP 153
8.5.4  0.4mm間距QFP 154
8.5.5  0.4～0.5mm間距QFN 155
8.5.6  0201 155
第9章  鋼網設計與常見不良 157
9.1  鋼網 157
9.2  鋼網製造要求 160
9.3  範本開口設計基本要求 161
9.3.1  面積比 161
9.3.2  階梯範本 162
9.4  範本開口設計 163
9.4.1  通用原則 163
9.4.2  片式元件 165
9.4.3  QFP 165
9.4.4  BGA 166
9.4.5  QFN 166
9.5  常見的不良開口設計 168
9.5.1  範本設計的主要問題 168
案例7  範本避孔距離不夠導致散熱焊盤少錫 169
案例8  焊盤寬、引腳窄導致SIM卡移位 170
案例9  熔融焊錫漂浮導致變壓器移位 170
案例10  防錫珠開孔導致圓柱形二極體爐後飛料問題 171
9.5.2  範本開窗在改善焊接良率方面的應用 171
案例11  兼顧開焊與橋連的葫蘆形開窗設計 171
案例12  電解電容底座鼓包導致移位 173
案例13  BGA變形導致橋連與球窩 174
第10章  再流焊接與常見不良 175
10.1  再流焊接 175
10.2  再流焊接工藝的發展歷程 175
10.3  熱風再流焊接技術 176
10.4  熱風再流焊接加熱特性 177
10.5  溫度曲線 178
10.5.1  溫度曲線的形狀 179
10.5.2  溫度曲線主要參數與設置要求 180
10.5.3  爐溫設置與溫度曲線測試 186
10.5.4  再流焊接曲線優化 189
10.6  低溫焊料焊接SAC錫球的BGA混裝再流焊接工藝 191
10.6.1  有鉛焊料焊接無鉛BGA的混裝工藝 192
10.6.2  低溫焊料焊接SAC錫球的混裝再流焊接工藝 196
10.7  常見焊接不良 197
10.7.1  冷焊 197
10.7.2  不潤濕 199
案例14  連接器引腳潤濕不良現象 200
案例15  沉錫板焊盤不上錫現象 201
10.7.3  半潤濕 202
10.7.4  滲析 203
10.7.5  立碑 204
10.7.6  偏移 207
案例16  限位導致手機電池連接器偏移 207
案例17  元器件安裝底部噴出的熱氣流導致元器件偏移 208
案例18  元器件焊盤比引腳寬導致元器件偏移 208
案例19  片式元件底部有半塞導通孔導致偏移 209
案例20  不對稱焊端容易導致偏移 209
10.7.7  芯吸 210
10.7.8  橋連 212
案例21  0.4mm QFP橋連 212
案例22  0.4mm間距CSP（也稱?BGA）橋連 213
案例23  鉚接錫塊表貼連接器橋連 214
10.7.9  空洞 216
案例24  BGA焊球表面氧化等導致空洞形成 218
案例25  焊盤上的樹脂填孔吸潮導致空洞形成 219
案例26  HDI微盲孔導致BGA焊點空洞形成 219
案例27  焊膏不足導致空洞產生 220
案例28  排氣通道不暢導致空洞產生 220
案例29  噴印焊膏導致空洞產生 221
案例30  QFP引腳表面污染導致空洞產生 221
10.7.10  開路 222
10.7.11  錫球 223
10.7.12  錫珠 226
10.7.13  飛濺物 229
10.8  不同工藝條件下用63Sn/37Pb焊接SAC305 BGA的切片圖 230
第11章  特定封裝的焊接與常見不良 232
11.1  封裝焊接 232
11.2  SOP/QFP 232
11.2.1  橋連 232
案例31  某板上一個0.4mm間距QFP橋連率達到75% 234
案例32  QFP焊盤加工尺寸偏窄導致橋連率增加 235
11.2.2  虛焊 235
11.3  QFN 236
11.3.1  QFN封裝與工藝特點 236
11.3.2  虛焊 238
11.3.3  橋連 240
11.3.4  空洞 241
11.4  BGA 244
11.4.1  BGA封裝類別與工藝特點 244
11.4.2  無潤濕開焊 245
11.4.3  球窩焊點 246
11.4.4  縮錫斷裂 248
11.4.5  二次焊開裂 249
11.4.6  應力斷裂 250
11.4.7  坑裂 251
11.4.8  塊狀IMC斷裂 252
11.4.9  熱迴圈疲勞斷裂 253
第12章 波峰焊接與常見不良 256
12.1 波峰焊接 256
12.2 波峰焊接設備的組成及功能 256
12.3 波峰焊接設備的選擇 257
12.4 波峰焊接工藝參數設置與溫度曲線的測量 257
12.4.1 工藝參數 258
12.4.2 工藝參數設置要求 258
12.4.3 波峰焊接溫度曲線測量 258
12.5 助焊劑在波峰焊接工藝過程中的行為 259
12.6 波峰焊接焊點的要求 260
12.7 波峰焊接常見不良 262
12.7.1 橋連 262
12.7.2 透錫不足 265
12.7.3 錫珠 266
12.7.4 漏焊 268
12.7.5 尖狀物 269
12.7.6 氣孔—吹氣孔/ 269
12.7.7  孔填充不良 270
12.7.8 板面髒 271
12.7.9 元器件浮起 271
案例33 連接器浮起 272
12.7.10 焊點剝離 272
12.7.11 焊盤剝離 273
12.7.12 凝固開裂 274
12.7.13 引線潤濕不良 275
12.7.14 焊盤潤濕不良 275
第13章 返工與手工焊接常見不良 276
13.1 返工工藝目標 276
13.2 返工程式 276
13.2.1  元器件拆除 276
13.2.2 焊盤整理 277
13.2.3 元器件安裝 277
13.2.4 工藝的選擇 277
13.3 常用返工設備/工具與工藝特點 278
13.3.1 烙鐵 278
13.3.2 熱風返修工作站 279
13.3.3 吸錫器 281
13.4 常見返修失效案例 282
案例34 採用加焊劑方式對虛焊的QFN進行重焊導致返工失敗 282
案例35 採用加焊劑方式對虛焊的BGA進行重焊導致BGA中心焊點斷裂 282
案例36 風槍返修導致周邊鄰近帶散熱器的BGA焊點開裂 283
案例37 返修時加熱速率太大導致BGA角部焊點橋連 284
案例38 手工焊接大尺寸片式電容導致開裂 284
案例39 手工焊接外掛程式導致相連片式電容失效 285
案例40 手工焊接大熱容量外掛程式時長時間加熱導致PCB分層 285
案例41 採用銅辮子返修細間距元器件容易發生微橋連現象 286

第三部分 組裝可靠性 289
第14章 可靠性概念 291
14.1 可靠性定義 291
14.1.1 可靠度 291
14.1.2 MTBF與MTTF 291
14.1.3 故障率 292
14.2 影響電子產品可靠性的因素 293
14.2.1 常見設計不良 293
14.2.2 製造影響因素 294
14.2.3 使用時的劣化因素 295
14.3 常用的可靠性試驗評估方法—溫度迴圈試驗 296
第15章 完整焊點要求 298
15.1 組裝可靠性 298
15.2 完整焊點 298
15.3 常見不完整焊點 298
第16章 組裝應力失效 304
16.1 應力敏感封裝 304
16.2 片式電容 304
16.2.1 分板作業 304
16.2.2 烙鐵焊接 306
16.3 BGA 307
第17章 使用中溫度迴圈疲勞失效 308
17.1 高溫環境下的劣化 308
17.1.1 高溫下金屬的擴散 308
17.1.2 介面劣化 309
17.2 蠕變 309
17.3 機械疲勞與溫度迴圈 310
案例42 拉應力疊加時的熱疲勞斷裂 310
案例43 某模組灌封工藝失控導致焊點受到拉應力作用 310
案例44 灌封膠與PCB的CTE不匹配導致焊點早期疲勞失效（開裂） 312
第18章 環境因素引起的失效 313
18.1  環境引起的失效 313
18.1.1 電化學腐蝕 313
18.1.2 化學腐蝕 315
18.2 CAF 316
18.3 銀遷移 317
18.4 硫化腐蝕 318
18.5 爬行腐蝕 318
第19章 錫須 321
19.1 錫須概述 321
19.2 錫須產生的原因 322
19.3 錫須產生的五種基本場景 323
19.4 室溫下錫須的生長 324
19.5 溫度迴圈（熱衝擊）作用下錫須的生長 325
19.6 氧化腐蝕引起的錫鬚生長 326
案例45 某產品單板上的輕觸開關因錫須短路 327
19.7 外界壓力作用下的錫鬚生長 327
19.8 控制錫鬚生長的建議 328
後記 330
參考文獻 331