焊接工藝不當(dāng)導(dǎo)致元器件失效的原因分析

范士海

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

引言

目前，大部分電子產(chǎn)品都是由若干印制電路板（PCB）組裝件構(gòu)成一個(gè)整機(jī)，或與其它光電組裝件構(gòu)成一個(gè)整體。PCB組裝件作為電子產(chǎn)品的基本組件，其完成過程是將元器件按設(shè)計(jì)要求，通過裝聯(lián)工藝（主要是焊接工藝），在PCB上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，最后調(diào)試，成為合格產(chǎn)品。合理設(shè)計(jì)印制線路板、規(guī)范的裝聯(lián)工藝和正確調(diào)試，是保證電子元器件使用可靠性的重要因素之一。但在實(shí)際工作中，由于焊接工藝不當(dāng)引發(fā)元器件失效的情況偶有發(fā)生。

下面針對一些常見的因焊接工藝不當(dāng)引起的元器件的典型失效模式進(jìn)行歸納總結(jié)，分析其失效機(jī)理，為進(jìn)一步改進(jìn)焊接工藝提供有益的依據(jù)。

1 焊接工藝不當(dāng)引發(fā)陶瓷基體開裂

陶瓷材料(包括玻璃材料)在電子元器件中應(yīng)用廣泛，有些作為功能材料，如電容器陶瓷、壓電陶瓷等；有些是裝置瓷，如基板材料，絕緣支柱等。同其他陶瓷材料一樣，電子陶瓷材料也有硬且脆的性質(zhì)，在受到外力（包括熱機(jī)械應(yīng)力）作用時(shí)，容易開裂。

1.1 獨(dú)石陶瓷電容器失效

下面介紹的獨(dú)石陶瓷電容器失效、表貼電阻器及表貼二極管都屬于表貼元件。表貼元器件具有體積小、密度高、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但它也遇到了一些新的問題。如：由于表貼元器件體積比較小，結(jié)構(gòu)脆弱；由于表貼元器件的焊盤面積小，容易出現(xiàn)焊接不良問題。作者在以前的文章中，專門對表貼塑封集成電路和其它表貼元器件的失效模式及機(jī)理進(jìn)行了討論[1、2]，對表貼器件焊點(diǎn)的失效問題也進(jìn)行了探討[3]。下面主要針對焊接工藝不當(dāng)引起的表貼元器件的失效進(jìn)行探討。

焊接工藝不當(dāng)引起的獨(dú)石陶瓷電容器主要的失效模式是瓷體在端頭部位斷裂。斷裂部位大多靠近某一端電極，裂紋由外斜向內(nèi)延伸；個(gè)別情況下在兩側(cè)端電極都存在裂紋（如圖1所示）。電容焊接時(shí)的熱沖擊是造成瓷體斷裂主要原因。由于電容器的金屬端電極材料以及陶瓷電介質(zhì)材料有不同的熱膨脹系數(shù)（CTE）（內(nèi)部電極、錫鉛端電極、陶瓷的CET分別是16、18和9.5～11.5ppm/℃），在預(yù)熱和焊接期間，端電極要比陶瓷本體熱得快；假如由于急劇的熱分布使不同的材料的膨脹差異太大，由此產(chǎn)生的應(yīng)力將使電容瓷體開裂。由焊接引發(fā)的初始裂紋較小，無論從外觀還是電性能上都不易被察覺。由于電容陶瓷材料與PCB的CTE不同（PCB X、Y方向的CTE為12～16ppm/℃），安裝以后，在使用過程中經(jīng)歷溫度循環(huán)（沖擊）試驗(yàn)時(shí)，因CTE不同而產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力造成電容瓷體裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致電容器失效。焊接過程中緩慢地預(yù)熱板子可以有效地減小熱沖擊的影響，減少失效的發(fā)生。

1.2 厚膜表貼電阻失效

厚膜表貼電阻常見的失效模式是電阻阻值增大甚至開路。造成表貼電阻阻值增大甚至開路的一個(gè)常見的失效原因是瓷體開裂。圖2是表貼電阻瓷體開裂的典型形貌，圖中氧化鋁陶瓷基板靠近一端電極開裂。

電阻安裝時(shí)端頭局部受熱，因熱應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生微裂紋，對于手工焊裝，更易出現(xiàn)端電極局部過熱情況。另一方面，手工焊兩端電極焊接不是同時(shí)完成的，焊接后一個(gè)端電極時(shí)，操作不當(dāng)，將使瓷體受到較大的應(yīng)力；在板級(jí)溫沖試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)中，瓷體也會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力作用，會(huì)使原本存在的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致瓷體斷開，引發(fā)電阻膜開裂（如圖3所示）。

圖1 電容器瓷體開裂形貌

圖2 表貼電阻陶瓷基板開裂形貌

焊接時(shí)的熱沖擊是造成瓷體斷裂主要原因，焊接過程中充分預(yù)熱可以有效地避免此類失效的發(fā)生。另一方面，采用回流焊工藝也可以降低此類失效模式的發(fā)生。

2 焊接工藝不當(dāng)，造成塑封器件失效

目前低質(zhì)量等級(jí)（工業(yè)級(jí)或商業(yè)級(jí)）的塑封表貼集成電路在整機(jī)中廣泛應(yīng)用，其中很多器件都屬于核心及關(guān)鍵器件。但塑封材料的本質(zhì)特性可能造成潮氣入侵和耐溫度性能差等可靠性問題。在回流焊過程中，塑封器件所處的環(huán)境短時(shí)間溫度升至205～250℃，上升梯度較大（1～2℃/S）。當(dāng)溫度超過塑封材料的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度（一般為130～160℃）時(shí)，塑封材料變軟，如果器件內(nèi)部有較多水汽，水汽在短時(shí)間內(nèi)受熱快速膨脹，造成塑封材料分層，甚至發(fā)生爆裂（“爆米花”效應(yīng)）。

分層可以導(dǎo)致倒裝焊（Flip Chip）封裝器件內(nèi)部凸點(diǎn)短路或開路失效，下面介紹的案例即屬此種情況。

某整機(jī)單位在對PCB組裝板焊裝后進(jìn)行靜態(tài)直通檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)多個(gè)DSP器件失效，其中有些器件失效模式為短路，有些器件失效模式為開路。分別選取失效模式為短路和開路的器件各1個(gè)進(jìn)行分析，將短路的器件記為1#，開路的器件記為2#。

首先用微焦點(diǎn)X射線儀對兩只器件進(jìn)行X射線檢查，兩個(gè)器件內(nèi)部倒裝焊凸點(diǎn)部分均有不同程度的熔化現(xiàn)象，其中1#器件部分焊點(diǎn)熔化后，相鄰?fù)裹c(diǎn)間的焊錫已相連；2#器件焊點(diǎn)熔化后有擴(kuò)散現(xiàn)象（如圖4所示）。

圖3 電阻膜開裂形貌

將兩個(gè)失效器件分別鑲嵌、研磨、拋光。其中1#器件沿平行于芯片方向研磨，直至露出器件內(nèi)部倒裝凸點(diǎn)。在金相顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，部分凸點(diǎn)焊錫已相互融成一片（如圖5所示）。對器件內(nèi)部倒裝凸點(diǎn)處及器件外部焊球（器件為BGA封裝）進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)兩者主要成分均為Pb和Sn元素。2#器件沿垂直于芯片方向研磨，直至器件內(nèi)部倒裝凸點(diǎn)熔化處，發(fā)現(xiàn)塑封材料與芯片間有分層現(xiàn)象，如圖6所示。通過以上X射線檢查及制樣觀查得出：器件焊接前，內(nèi)部吸收的水汽含量較高，在高溫焊接過程中，汽化膨脹造成器件內(nèi)部分層。倒裝焊凸點(diǎn)處焊料熔化，沿分層空隙擴(kuò)散，導(dǎo)致有些器件內(nèi)部相鄰的凸點(diǎn)通過焊錫連在一起，引發(fā)短路失效；有些則是因凸點(diǎn)高度降低而導(dǎo)致脫焊，引發(fā)開路失效。

塑封器件回流焊之前進(jìn)行適當(dāng)?shù)母邷睾婵?，?5℃/48h 或125℃/24h，排除吸附的潮氣；并在回流焊過程中選擇適當(dāng)?shù)臏刈兯俾屎蜏刈兎秶梢杂行У販p少此類失效現(xiàn)象的發(fā)生。

3 焊接工藝不當(dāng)，產(chǎn)生多余物引發(fā)失效

有些元器件，內(nèi)部焊點(diǎn)未采用高溫焊料進(jìn)行焊接，而是采用與板級(jí)焊接相同的低溫共晶錫鉛焊料。在進(jìn)行板級(jí)焊接組裝時(shí)，焊接溫度過高或時(shí)間過長，會(huì)造成元器件內(nèi)部焊點(diǎn)的焊錫熔化，產(chǎn)生多余物引發(fā)短路失效，下面介紹的案例，即屬于此類情況。

案例：濾波器輸入端對地短路失效

圖4 失效器件X射線檢查形貌

圖5 1#器件內(nèi)部凸點(diǎn)焊錫熔融形貌

圖6 2#器件凸點(diǎn)焊料熔化處塑封料與芯片間分層形貌

圖7 器件輸入端X射線透視圖像

圖8 器件X射線透視圖像

某整機(jī)在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一只晶體濾波器輸入端對地（管殼）短路失效。委托方在委托失效分析前，將此濾波器從板上解焊后，發(fā)現(xiàn)短路現(xiàn)象消失。對器件進(jìn)行X射線檢查，器件內(nèi)部輸入端與管殼間未發(fā)現(xiàn)存在多余物（如圖7所示）。但在管殼內(nèi)壁上，附著有多余物（如圖8所示）。啟封器件后發(fā)現(xiàn)：器件內(nèi)部有金屬多余物，該多余物有一端熔焊在管殼內(nèi)壁上，另一端翹起（如圖9所示）。該多余物的尺寸大于輸入管腳與管殼的間隙尺寸。對該多余物進(jìn)行X射線能譜分析，確認(rèn)該多余物為錫鉛焊料（如圖10所示）。顯然，濾波器輸入端對地（管殼）短路是由器件內(nèi)部有活動(dòng)的錫鉛焊料多余物將輸入管腳與管殼搭接造成的。在器件從板上加熱解焊過程中焊料移位，部分焊料熔融焊在管殼內(nèi)壁，導(dǎo)致解焊后短路現(xiàn)象不再復(fù)現(xiàn)。該濾波器內(nèi)部中間金屬隔板通過錫焊方式與管殼底座固定。濾波器焊裝過程中，焊接溫度偏高或焊接時(shí)間偏長，都容易造成此部位焊料熔化形成多余物。

為避免此類失效現(xiàn)象的發(fā)生，板級(jí)焊接過程中，要特別注意焊接溫度不要過高，高溫階段時(shí)間不要太長。當(dāng)然，如果器件生產(chǎn)廠家能夠?qū)?nèi)部焊點(diǎn)改用高溫合金焊料焊接，此類問題可以從根本上得到解決。

圖9 器件內(nèi)部多余物形貌

圖10 多余物能譜分析結(jié)果

4 結(jié)束語

前面通過典型案例介紹，分析了焊接工藝不當(dāng)，對元器件失效產(chǎn)生的影響。對以上分析進(jìn)行總結(jié)，得出焊接工藝不當(dāng)，對元器件失效產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面：1）預(yù)熱不充分或焊接過程中溫升速率大，給元器件帶來的熱沖擊應(yīng)力的影響；對塑封器件分層的影響。2）手工焊接表貼元器件，兩端電極不同時(shí)焊接，給元器件造成的機(jī)械應(yīng)力影響。3）焊接溫度過高、時(shí)間過長造成元器件內(nèi)部焊點(diǎn)焊錫熔化，產(chǎn)生多余物的影響，對表貼電阻端電極的影響等。除此之外，還應(yīng)特別關(guān)注以下焊接工藝改變所帶來焊接溫度升高或時(shí)間延長，對元器件失效造成的影響：1）手工焊接變?yōu)椴ǚ搴负螅骷車w環(huán)境溫度升高，造成元器件內(nèi)部焊料熔化對元器件失效造成的影響；2）無鉛與有鉛元器件混裝焊接，焊接溫度升高或時(shí)間過長，對有鉛元器件失效造成的影響。

[1] 范士海.龍承武.邵覺晴.塑封微電路主要的失效模式及機(jī)理分析[A]. 中國電子學(xué)會(huì)可靠性分會(huì).第十二屆全國可靠性物理學(xué)術(shù)討論會(huì)匯文匯編[C].2007.

[2] 范士海.表貼元器件常見的失效模式及機(jī)理分析[A].中國電子學(xué)會(huì)可靠性分會(huì).第十三屆全國可靠性物理學(xué)術(shù)討論會(huì)匯文匯編[C].2009.

[3] 范士海. PBGA焊點(diǎn)開路失效原因分析及工藝改進(jìn)措施[A].中國電子學(xué)會(huì)可靠性分會(huì).第十四屆可靠性學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2008.