PCBA冷焊分析（一）

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一.概述
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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≤0.5mmμBGA、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

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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。

1. 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。

  

1. 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μBGA、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μBGA、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

μBGA、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：

μBGA、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   阶段C 第二次坍塌着三个基本的阶段，如图 6 所示。

8 x- k$ C) a( f# s! ?# N& c) Y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。

（1） 阶段A

开始加热时，μBGA、CSP 焊点部的形态如图 7 所示

（1） 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。

（1） 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 1/3~1/2，如图 9 所示。

从上面描述的μBGA、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μBGA、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。

1. 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。

2）B 类

B 类焊点切片分析的镜像如图 12 所示，界面IMC 不明显，界面结合良好， 未见微裂纹，但钎料晶粒不太均匀
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3）C 类

C 类焊点切片分析的镜像如图 13 所示，界面未形成 IMC（合金），界面出现贯穿性裂缝。焊球外表面不规则，且凹凸不平。

结论：A、B 两类在非高可靠性要求的场合可酌情接受，而C 类应拒收。

5. 诱发冷焊的原因及其对策

1） μBGA、CSP 在热风再流焊接中冷焊率高的原因

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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μBGA、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μBGA、CSP 底部焊盘区时，传导效率就将明显降低，如图 14 所示。

在相同的峰值温度和再流时间的条件下，与其他在热空气中焊点暴露性好的元器件相比，μBGA、CSP 焊球焊点获得的热量将明显不足，从而导致一些μBGA、
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CSP 底部焊球焊点温度达不到润湿温度而发生冷焊，如图 15 所示。

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在上述状态下，μBGA、CSP 再流焊接过程中，热量传递就只能是μBGA、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μBGA、CSP 的钎料球，形成焊点。例如，如果 240℃的热空气作用在封装表面， 焊盘与μBGA、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。

1） 解决μBGA、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 45mm BGA 与小型引脚封装（SOP）的封装体之间的温差减小到 8℃。

（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
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在业界最常见的两种再流热量供给方式及其特点如下所述。

①强制对流加热。强制热风对流再流焊接，是一种通过对流喷射管嘴来迫使气流循环，从而实现对被焊件加热的再流焊接方法，如图 16 所示。采用此种加热方式的 PCB 基板和元器件的温度，接近给定的加热区的气体温度，克服了红外线加热因外表色泽的差异、元器件表面反射等因素而导致的元器件间的温差较大的问题。

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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 3~10μm 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加热，也会充分变热。

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μBGA、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 22℃；

b） “IR+强制对流”加热QFP140P 与PCB 之间的温差只有 7℃，而对 45mm

的BGA 温差进一步减小到 3℃。

“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。

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在图 17 中：

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。
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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

（△T2<△T1）。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8℃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 1℃。

1） 安装位置的差异对冷焊发生率的影响

         μBGA、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。

将图 18 所示的PCBA 组件，分别在 7 温区的（“IR+热风）复合炉和 10 温区的纯热风炉中进行再流焊接后，沿着图示的测试位置用 ERSA SCOPE-30000 微光学视觉监测系统，直接摄取所关注的焊点外观镜像，其结果见表 1。

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从表 1 所示的微光学镜像来看，可以明显得出下述结论：

（1） 不论是 10 温区的纯热风炉，还是 7 温区的（“IR+热风）复合炉，从再流焊接效果来看，芯片对 IC/B 比芯片IC/A 的冷焊发生率高得多。它表明安装位置对μBGA、CSP 的冷焊发生率有很大影响。

（2） 从照片的分类对比看，7 温区的（“IR+热风）复合炉的再流焊接效果与 10

温区的纯热风炉相比，不论是 IC/A 位还是IC/B 位都要好。它表明“IR+热风复合

加热方式，对抑制μBGA、CSP 在再流焊接中冷焊发生确实有效果。

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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