容易与疲劳断裂焊点混淆的熔断焊接缺陷

2024-06-25 09:42:57 · 一步步新技术 · 贾忠中

焊点失效的模式主要有疲劳断裂和应力断裂，但是，还有一种焊点的断裂失效模式，无论断裂位置、裂纹形貌以及失效的时间点，都与疲劳失效焊点的裂纹类似，在失效分析时很容易归为疲劳断裂失效，这就是本文要介绍的熔断焊接缺陷。

熔断焊接缺陷是发生概率比较低的一类虚焊，主要发生在两类封装上——BGA和QFN，这与这两类封装的安装结构及焊点形成微观机理有关。

熔断焊点及特征

什么是熔断焊点？指在再流焊接时形成的一种液态断裂形貌的缺陷焊点。这种焊点具有似断非断的特点，电测时往往难以检测出来，是早期失效焊点中的一类。

熔断焊点与疲劳断裂焊点，从断裂位置、形貌上，往往类似，都是从界面IMC外断开，也不具啮合特性，如图1所示。因此，往往容易与疲劳裂纹混淆，与之有别的就是裂纹两侧具有自然凝固时的形貌，很少出现树枝状的形貌。这种焊点在大多数情况下都不会是完全断裂的状态，往往部分相连，部分开裂，最典型的特征就是“藕断丝连”，如图2所示。

图1 熔点焊点形貌

图2 藕断丝连现象

熔断焊点的形机理

熔断焊点属于焊接缺陷，发生在焊点重新熔化或凝固时。如果焊点形成过程中出现“液态薄层+张力”的条件，将会形成熔断焊点，如图3所示。整个焊点处于固态或液态，是不会发生熔断的，它有及其严格的发生条件或场景，通常发生的概率不高，一般低于3/1000。目前我们看到的熔断焊点，都发生在特定的设计场景下，仅见于BGA和QFN两类封装。

图3 熔断焊点的形成机理

熔断焊点的类别

BGA的缩锡开裂

所谓缩锡开裂，是作者根据BGA焊点开裂形成的形貌命名的一种BGA焊接缺陷，因其失效焊点切片图显示的开裂或断裂裂纹像铸造时的缩松现象，借此而命名为缩锡开裂。

缩锡开裂的裂纹切片图如图4所示，具有非常典型的特征——裂纹出现在IMC与锡球界面并呈液态凝固收缩外貌。有些裂纹为全断形貌，有些为半断形貌，大多数时候不会完全断开，如同掰断藕节看到的“藕断丝连”现象，因此，我们命名为缩锡开裂而非缩锡断裂。

图4 缩锡开裂现象

此焊接缺陷对产品的可靠性影响很大，主要是生产测试时发现不了。这对高可靠性产品构成严重隐患，像航空电子、载人飞船、洲际导弹，一旦存在缩锡焊点，必定会造成重大的损失，因此，尽管发生的概率比较低，但也应给与高度重视。

1）形成机理推测

缩锡开裂，我们从失效焊点的形貌推断，它不属于焊接后发生的开裂现象，不具有疲劳开裂、应力开裂等裂纹的典型特征。自然的、液态凝固形成的裂纹界面，表明它发生在焊接过程中，准确地讲就是焊点凝固时形成的。

具体的机理是什么呢？我们仔细梳理所有发生缩锡开裂的案例，发现它们有一个共性——都发生在BGA靠边并连接有长、宽的导线场景下。

PCB设计时，BGA靠边的焊盘一般都是直接拉出连线，如果这个线比较长、比较宽，在再流焊接冷却时它就成为冷源，会导致焊点早期、单向凝固的发生，如图5所示。

图5缩锡焊点发生的典型场景

一旦个别焊点先期凝固并形成薄的液态层（单向凝固的结果），同时，PCB变平或BGA四角上翘，就可能发生缩锡开裂现象。因此，我们可以认为，缩锡开裂发生在焊点凝固的时段，如图6所示。

图6 缩锡开裂发生的时间点

在混装工艺条件下，有铅焊膏焊接无铅BGA，改变了焊点的共晶特性。如果BGA焊点发生先期、单向凝固，就会在BGA侧形成低熔点的富铅相层。因此，混装工艺条件下，缩锡开裂现象更加普遍。

2）试验验证

根据以上的推理与分析，我们设计了试验板，如图7所示。通过布线等手段，使BGA角部焊点形成单向凝固条件。通过吸潮等手段对BGA动态变形进行加速处理。一共焊接70块板，共贴装了280个BGA。

图7 试验板设计

采用染色与切片分析方法，对每个BGA四角的焊点进行了分析，获得了与预想一致的结果，如图8所示。

图8 缩锡开裂焊点的试验复现

试验验证了缩锡开裂机理的正确性。

3）缩锡开裂的防控

根据对众多案例的研究，我们发现，缩锡断裂发生的条件极其严格，具体来讲就是：

PBGA；
1.6~2.0mm厚PCB；

因此，缩锡开裂可识别、可防控。具体而言就是识别发生的场景，针对风险焊点增加焊膏量，消除单向凝固的条件。ESS测试也可以发现。

BGA热撕裂

热撕裂是BGA比较多见的另一种熔断现象，英文名称为Hot Tear,，指BGA的POFV（一种树脂或金属填孔并孔口电镀覆盖的盘中孔设计）盘中孔设计的焊点二次过炉时的熔断现象。它与BGA的缩锡开裂发生的微观过程不同，它是发生在二次过炉PCBA的加热开始阶段，属于焊点重新熔化时发生的熔断，这也许就是最初命名热撕裂的原因。

热撕裂焊点裂纹特征

热撕裂最早发现于BGA填Cu的POFV盘中孔，后续随着高密度BGA的广泛使用，POFV盘中孔的广泛应用，也在非填Cu的POFV孔上看到。

热撕裂裂纹如图9所示，发生在BGA侧，裂纹呈圆顶形貌，这是区别于BGA缩锡开裂的一个重要特征，后者为平顶形状。

图9 热撕裂的焊点形貌

热撕裂的形成机理

热撕裂形成的机理如图10所示。Cu的热膨胀系数为17ppm/℃，PCB的热膨胀系数为45ppm/℃,加热时POFV焊点要比POFV设计焊点膨胀要大，使得旁边的POFV焊点受到拉应力的作用。如果此时POFV设计BGA焊点出现薄的液态层，焊点就会拉断。由于PCBA正处于加热升温过程，熔融焊点断开后会不断氧化，在焊点凝固时再也无法熔化在一起，形成熔断焊点。焊点之所以呈圆顶状态，是因为焊点完全熔融时表面张力的作用。

为什么发生在BGA侧，这主要因为BGA本身的导热性要高于PCB有关，因此，加热时薄的液态层首先出现在BGA侧。

（备注，solid，固态；melted,熔融态；Hot tearing，热撕裂; Expanded more，膨胀更多。）

图10 热撕裂的形成机理

3）热撕裂的防控

正如机理分析的那样，热撕裂的发生有两个条件，即POFV设计和薄层液态层的出现。因此，改善首先从设计角度上，尽可能避免POFV孔与非POFV焊点的混合设计。从工艺方面，主要改善熔断后焊点的再熔合能力，比如采用N2气氛进行再流焊接。也可以采用环氧树脂焊膏，加强BGA与PCB的连接，避免因热膨胀不一而出现热撕裂。

此外，热撕裂的发生还与板厚、加热速率、孔的填充材料等许多因素有关，比较复杂。我们介绍此案例，主要是希望大家了解这种业已存在的失效模式。虽然它的发生概率不高，但是这种设计场景对焊点的可靠性影响比较大。

QFN熔断

QFN属于BTC类封装，它的安装结构比BGA更加典型、更容易发生熔断现象。QFN的熔断通常很难通过X-Ray检测发现，生产工厂往往作为虚焊来处理。

QFN的熔断机理比较复杂，牵涉到QFN焊接的微观机理以及封装的质量问题，限于篇幅不作进一步的说明，仅展示一副QFN熔断的切片图，如图11所示。如果有兴趣，可以分析一下它的形成机理。