PCBA冷焊分析（1）

一.概述

在電子產品裝聯(lián)焊接中，虛焊現象一直是困擾焊點工作可靠性的一個最突出
的問題，特別是在高密度組裝和無鉛焊接中，此現象更為突出。歷史上電子產品
(包括民用和軍用）因虛焊導致失效而釀成事故的案例不勝枚舉。

虛焊現象成因復雜、影響面廣、隱蔽性大，因此造成的損失也大。在實際工
作中為了查找一個虛焊點，往往要花費不少的人力和物力，而且根治措施涉及面
廣，建立長期穩(wěn)定的解決措施也不容易。因此虛焊問題一直是電子行業(yè)關注的焦點。

在現代電子裝聯(lián)焊接中，冷焊是間距<0.5mm^BGA、CSP封裝芯片再流焊
接中的一種高發(fā)性缺陷。在這類器件中，由于焊接部位的隱蔽性，熱量向焊球焊
點部位傳遞困難，因此冷焊發(fā)生的概率比虛焊還要高。然而由于冷焊在缺陷現象
表現上與虛焊非常相似，因此往往被誤判為虛焊而被掩蓋。在處理本來是由于冷
焊現象而導致電路功能失效的問題時，往往按虛焊來處理，結果是費了勁恰效果
甚微。

冷焊與虛焊造成的質量后果形式相似，但形成的機理恰不一樣，不通過視覺
圖像甄別，就很難將虛焊和冷焊區(qū)別開來。它們在生產過程中很難完全暴露出來，
往往要用戶使用一段時間（短則幾天，長則數月甚至一年）后才能暴露無遺。因
此不僅造成的影響極壞，后果也是嚴重的。

在前期，筆者已經就虛焊焊接缺陷問題陸續(xù)發(fā)表了“虛焊及其檢測”，“金屬
間化合物-IMC解讀”，“關于虛焊的討論”以及《“用AOI判別虛焊”中虛焊的定

義及特征部位的判讀》等論文，現在再敘述什么是冷焊？冷焊發(fā)生的機理，冷焊
焊點的判據，冷焊焊點缺陷程度分析，誘發(fā)冷焊的原因及其對策，以及虛焊和冷
焊的異同點。

二.冷焊

1.定義和特征

在焊接中釬料與基體金屬之間沒有達到最低要求的潤濕溫度；或者雖然局部
發(fā)生了潤濕，但冶金反應不完全而導致的現象，可定義為冷焊，如圖1所示。

它表明PCB及元器件的可焊性不存在問題，出現此現象的根本原因是焊接
的溫度條件不合適。

2.機理

冷焊發(fā)生的原因主要是焊接時熱量供給不足，焊接溫度未達到釬料的潤濕溫
度，因而結合界面上沒有形成IMC或IMC過薄，如圖2所示。有的情況下，界
面上還存在著裂縫，如圖3所示。

這種焊點，釬料是黏附在焊盤表面上的，有時表現得毫無連接強度可言。圖
4所示為一塊PCBA上的CSP芯片，由于冷焊，一受力芯片便撕裂下來。器件與
焊盤分離后，焊盤表面潔凈且呈金屬光澤，如圖5所示。它與分離后的虛焊點的
焊盤表面是完全不同的。

.冷焊焊點的判據

IMC生長發(fā)育不完全、表面呈橘皮狀、坍塌高度不足，是^BGA、CSP冷焊
焊點具有的三個最典型的特征，這些特征通?？梢宰鳛?/span>^BGA、CSP冷焊焊點的
判據。

1)再流焊接中IMC生長發(fā)育不完全（前面已經進行了分析和介紹，此處不再重
復）

2)表面橘皮狀和坍塌高度不足

^BGA、CSP冷焊點表面呈橘皮狀、坍塌高度不足，這是冷焊所特有的物理
現象。其形成機理可描述如下：

^BGA、CSP在再流焊接時，由于封裝體的重力和表面張力的共同作用，正
常情況下都要經歷下述過程，即階段A開始加熱―階段B的第一次坍塌一?階
段C第二次坍塌著三個基本的階段，如圖6所示。

如果再流焊接過程只進行到階段B的第一次坍塌，因熱量供給不足而不能持

續(xù)進行到階段C，便形成冷焊焊點。

圖6 ^BGA、CSP再流焊接的物理化學過程

(1)階段A

開始加熱時，^BGA、CSP焊點部的形態(tài)如圖7所示。

(2)階段B

經歷了第一階段加熱后的焊球，在接近和通過熔點溫度時，焊球將經受一次
垂直塌落，直徑開始增大。此時的釬料處于一個液、固相并存的糊狀狀態(tài)。由于
熱量不購，焊球和焊盤之間冶金反應很微弱，且焊球表面狀態(tài)是粗糙和無光澤的，
如圖8所示。

(3)階段C

當進一步加熱時，焊料釬球達到峰值溫度，焊球與焊盤之間開始發(fā)生冶金反
應，產生第二次坍塌。此時焊球變平坦，形成水平的圓臺形狀，表面呈現平滑而
光亮的結構。界面合金層的形成大大地改善了焊點的機械強度和電氣性能。此時
芯片離板的高度與開始時的高度相比，減小了1/3?1/2，如圖9所示。從上面描述的^BGA、CSP在再流焊接中所發(fā)生的物理化學過程可知，冷焊焊點的形成幾乎都是在再流焊接的B階段時因加熱熱量補充不足。未能達到峰值溫度便結束了再流焊接過程而形成的。因此當采用微光學視覺系統(tǒng)檢查^BGA、CSP焊點的質量時，便可以根據焊球表面橘皮狀的程度和坍塌高度，來判斷冷焊發(fā)生的程度。

4.冷焊焊點缺陷程度分析

輕微的冷焊是一種隱匿缺陷，在良好的使用環(huán)境中，一段時間內也不會嚴重
影響產品的正常功能。因為IMC的生長不僅是溫度的函數，與時間也有關系。
再流焊接時雖然IMC發(fā)育不完善，但在使用中仍可繼續(xù)生長、發(fā)育，只不過生

長速度非常緩慢而已。為了對冷焊發(fā)生的程度有個較準確的定位和評估，我們按
ERSACOPE實際觀察的結果，根據其外觀特征，暫將其劃分為A類（輕微冷焊)、
B類（中等程度冷焊）和C類（嚴重冷焊）3個等級，如圖10所示。

根據實際觀察的結果，發(fā)現A、B兩類最常見。進一步對A、B、C三類
焊點進行金相切片分析，結果如下。

1)A類

A類焊點切片分析的鏡像如圖11所示，界面IMC(合金）形成不明顯，具
有冷焊的特征，但界面結合嚴密，且未見微裂紋。

5.誘發(fā)冷焊的原因及其對策

1) ^BGA、CSP在熱風再流焊接中冷焊率高的原因

熱風對流是以空氣作為傳導熱量的媒介，對加熱那些從PCB面上“凸出”的元
器件，如高引腳與小元器件是理想的?？墒牵谠撨^程中，由于對流空氣與PCB
之間形成的“附面層”的影響，此時^BGA、CSP與PCB表面的間隙已接近附面層
厚度，熱風已很難透入底部縫隙中，因而使熱傳導到如^BGA、CSP底部焊盤區(qū)
時，傳導效率就將明顯降低，如圖14所示。

在上述狀態(tài)下，^BGA、CSP再流焊接過程中，熱量傳遞就只能是^BGA、
CSP封裝體和PCB首先加熱，然后依靠封裝體和PCB基材等熱傳導到焊盤和
^BGA、CSP的釬料球，形成焊點。例如，如果240°C的熱空氣作用在封裝表面，
焊盤與^BGA、CSP釬料球將逐漸加熱，溫度上升的程度與其他元器件相比將出
現了一個滯后時間，假如不能在要求的再流時間內上升到所要求的潤濕溫度，便
會發(fā)生冷焊。

2)解決^BGA、CSP冷焊發(fā)生率高的可能措施

(1)采用梯形溫度曲線（延長峰值溫度時間）

適量降低再流峰值溫度，而延長峰值溫度時間，可以改善消熱容量元器件與
大熱容量元器件間的溫差，避免較小元器件的過熱。

一個現代復合式再流焊系統(tǒng)可將45mmBGA與小型引腳封裝（SOP)的封裝
體之間的溫差減小到8C。

(2)改進再流焊接熱量的供給方式

再流焊接就是將數以千計的元器件焊在PCB基板上。若在一塊PCB上同時
存在質量大小、熱容量、面積不等的元器件時，就會形成溫度的不均勻性。目前

采用此種加熱方式就熱交換而言，熱傳輸性比紅外線差，因而生產效率不如
紅外線加熱方式高，耗電也較多。另外，由于熱傳輸性小，受元器件體積大小的
影響，各元器件間的升溫速率的差異將變大。

在強制熱風對流再流焊接設備中循環(huán)氣體的對流速度至關重要。為確保循環(huán)
氣體能作用于PCB的任一區(qū)域，氣流必須具有足夠大的速度或壓力。這在一定
程度上易造成薄型PCB基板的抖動和元器件的位移等問題。

②紅外線加熱。紅外線（IR)是具有3?10^m波長的電磁波。通常PCB、助
焊劑、元器件的封裝等材料都是由原子化學結合的分子層構成的，這些高分子物
質因分子伸縮、變換角度而不斷振動。當這些分子的振動頻率與相近的紅外線電
磁波接觸時，這些分子就會產生共振，振動就變得更激烈。頻繁振動會發(fā)熱，熱
能在短時間內能夠迅速均等地傳到整個物體。因此，物體不需要從外部進行高溫

紅外線加熱再流焊接的優(yōu)點是：按照射的同一物體表面呈均勻的受熱狀態(tài)，
被焊件產生的熱應力小，熱效率高，因而可以節(jié)省能源。

而它的缺點是：按同時照射的各物體，因其表面色澤的反光程度及材質不同，
彼此間吸收的熱量的不同而導致彼此間出現溫差，個別物體因過量吸收熱能而可
能出現過熱。

③"IR+強制對流”是解決^BGA、CSP冷焊的主要技術手段。國外業(yè)界針對
QFP140P與PCB之間、45mm的BGA與PCB之間的焊接發(fā)現，當分別只有對
流加熱或"IR+強制對流”復合加熱系統(tǒng)時，在兩種條件下加熱的溫度均勻性差異
如下：

a)對流加熱QFP140P與PCB之間的溫差為22C;

b) "IR+強制對流”加熱QFP140P與PCB之間的溫差只有7C，而對45mm
的BGA溫差進一步減小到3C。

“IR+強制對流”加熱的基本概念是：使用紅外線作為主要的加熱源達到最佳的熱傳導，并且抓住對流的均衡加熱特性以減小元器件與PCB之間的溫差。對
流加熱方式在加熱大容量的元器件時有幫助，通知對較小熱容量元器件過熱時的
冷卻也有幫助。

①代表具有大熱容量元器件的加熱曲線；

②是小熱容量元器件的加熱曲線。

如果只使用一個熱源，不管是IR還是對流，都將發(fā)生如圖17粗實線所示的
加熱效果。圖中二虛線描述的加熱曲線顯示了“IR+強制對流”復合式加熱的優(yōu)點
(AT2<AT1)。這里增加強制對流的作用是：加熱低于熱空氣溫度的元器件；同
時冷卻已經升高到熱空氣溫度之上的元器件。

目前最先進的再流爐技術結合了對流域紅外輻射加熱兩者的優(yōu)點。元器件之
間的最大溫差可以保持在8C以內，同時在連續(xù)大量生產期間PCB之間的溫差可
穩(wěn)定在大約1C。

^BGA、CSP冷焊現象的發(fā)生，與其在PCB上的安裝位置也有很大的關系。
圖168所示為兩個CSP芯片（IC/A和IC/B)共同裝在一個屏蔽罩內，芯片IC/A
外形尺寸和厚度比芯片IC/B小而薄，而且它與屏蔽罩框之間有較大的間隔空間。
從熱風再流焊接的效果看，IC/A應該比芯片IC/B好。