影响混合合金焊点工艺可靠性的因素（二）

三、PCB焊盘及元器件引脚焊端涂敷层

1 PCB焊盘涂敷层

PCB焊盘表面涂层对混合合金焊点的影响极大，在前面介绍过的可靠性试验中及国内业界生产实践中也得到了证实。从确保焊点的工艺可靠性并兼顾生产成本等综合考虑，根据批产中各种涂层的实际表现，建议按选用的优先性大致可作如下排序：Im－Sn（热熔）＞OSP＞ENIG Ni／Au此处应关注PCB焊盘上的纯Sn涂敷层，不适合于再流焊接峰值温度小于232℃的再流焊接，原因是：

（1）Sn生成氧化物的自由能非常低，它表明Sn极易氧化，而且一旦被氧化要将其去除也是很困难的，必须使用活性较强的助焊剂才行。目前Sn37Pb焊膏的活性都较难满足其要求。

（2）纯Sn的熔点为232℃，而Sn37Pb焊膏再流时的峰值温度为205～225℃，温度不匹配。因此，对表面为一层氧化锡层所包裹的固态Sn，活性较弱且熔点低于49℃的Sn37Pb焊膏很难将其润湿。特别是采用“喷Sn”工艺的更甚，因为，喷Sn时的高温导致喷Sn层表面氧化得更厉害，更难焊接。

2 元器件焊端涂敷层基于成本和涂敷层性能要求（抗氧化，耐高温（260℃），以及能与无铅钎料生成良好的界面合金），目前在电子业界使用较多的适合于混合组装元器件焊端镀层的有：镀SnPb或镀Sn；电镀或HASL Sn－Cu等。

3 BGA、CSP钎料球用材料目前BGA、CSP等钎料球用的无铅合金几乎都是SAC（如SAC305、SAC105等）。

四、混合组装再流焊接时应注意的事项

1．再流炉中的气氛可以是空气，也可以是惰性气体，如氮气。在无铅焊接中，为了减弱高温再流过程中PCB上组装物料的氧化程度，最好使用惰性气氛。某些板子的表面是经过处理的，如使用OSP处理的铜箔焊盘，要求在再流焊接过程中使用惰性气氛来获得可接受的焊点等级。

2．既然SAC无铅钎料需要更高的再流焊接温度，定义PCB上不同区域的温度就十分重要。器件温度会随着周围器件的不同、器件放置位置的不同、封装密度的不同而不同。

3．为了避免塑封器件由于潮湿和热应力而失效，最好测量一下器件本体温度，检查并确认温度有没有超过设定的最高温度。因此，用于测量再流曲线的热电偶，必须在再流过程中附着在不同的器件钎料连接处和本体上。大器件在引脚／钎料球处和器件模塑料间通常会有超过5℃的温差。

4．图2所示是一个典型的SAC无铅BGA焊接再流曲线与有铅焊接曲线的对比。

图2 无铅和锡铅BGA再流焊接曲线的比较

当BGA封装的SAC钎料球使用SnPb焊膏焊接时，基于使用的再流曲线有两种不同的方案：

① 若采用纯有铅组装的SnPb再流温度曲线焊接，因没有超过BGA的SAC钎料球熔化温度，这将影响焊点的质量和可靠性。沉淀在焊盘上的SnPb焊膏熔化了，但是SAC钎料球还尚未熔化。Pb将扩散到没有熔化的钎料球晶粒边界。SnPb钎料中的Pb在SAC钎料球中能扩散多高，取决于再流峰值温度设置为多高，以及SnPb钎料多久能熔化。

如图3所示是一张截面微观图片，描述了SAC钎料球BGA封装使用标准SnPb工艺焊接到PCB上，最终的焊点微观结构是不均匀也是不稳定的。黑色／灰色互连指状物是富铅晶粒边界；杆状颗粒部分为Ag3Sn合金层，灰色颗粒为Cu6Sn5合金层。这对焊点的可靠性带来了有害的影响。

图3 BGA／SAC钎料球的界面微观图片

有两个原因使这种焊点对产品造成有害影响：

●在再流焊接过程中因为钎料球没有熔化，BGA较差的自校准效应，当器件在贴片工艺过程前后出现某种程度的对不准时，将会造成潜在开焊的缺陷，这对细间距的面阵列封装器件而言非常重要；

●球坍塌得不够会造成焊膏和钎料球的连接减少而开焊，而且钎料球缺乏坍塌会进一步造成共面性差的问题，极少的混合还会造成显微组织的偏析，界面键合的劣化、空洞增多等现象，从而导致钎料球的可靠性急剧下降。

② 若采用纯无铅组装的SAC再流温度曲线焊接，由于SAC钎料在再流焊接时需要更高的温度，一些体积大、对温度敏感的BGA封装器件可能需要小心地放置在PCB上。在靠近板子边缘的区域，根据不同的板子尺寸、厚度和层数，一般会比中心区域高出5～15℃。大型封装器件在更高的再流温度下，会更易于因为潮湿和热应力而引入缺陷。