1.6 表面组装元器件的焊接

电子组装采用的是软钎焊技术，软钎焊原理讨论的是焊点的合金熔化与再结晶、焊接界面的反应（润湿、扩散和合金化）课题，即冶金原理，与之有关的焊接不良包括冷焊、不润湿、半润湿、渗析、过量的金属间化合物；而元器件的焊接讨论的是元器件封装级别多个焊点的焊接课题，焊接不良多与焊点形态有关，包括立碑、偏移、芯吸、桥接、空洞、开路、锡球、锡珠、飞溅物等。两者讨论的对象不同，工艺原理也不同。

单个焊点的形成，已经从被焊接镀层、助焊剂方面得到了足够的保障，我们了解焊接原理主要是“知其然”，以便制定这些材料的评价方法与标准，帮助我们分析焊接遇到的润湿、芯吸和渗析等问题，了解提升可靠性的方法。如果仅焊接只有一个引脚的元器件，焊接不会有太多的问题，但是，对于多引脚、热变形的表面贴装元器件而言，焊接就会有很多的问题。事实上，我们遇到的绝大部分焊接不良都是元器件级别的，如桥连、开焊、移位、立碑等。

元器件级别的焊接，很大程度上取决于元器件的封装结构（如电极间距、电极布局、封装厚度）、对湿度的敏感性、焊盘设计和焊膏分配。元器件的焊接属于多点并受封装热变形影响的焊接。由于每类封装的结构不同，因而形成了各自独有的工艺特性，也导致了生产中出现的焊接不良现象不同，如片式元器件的主要问题是立碑和移位，BGA（Ball Grid Array，焊球阵列封装）焊接的主要问题是球窝和开焊，QFP（Plastic Quad Flat Package，方形扁平式封装）焊接的主要问题是桥连和开焊，QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平无引脚封装）焊接的主要问题是桥连、虚焊和空洞等。掌握各类封装的工艺特点，是工艺设计、工艺优化的基础。下面举两个例子予以说明。

案例1 QFN的桥连

QFN焊接时，操作板中间有一个大的散热/接地焊盘，为了减少散热焊盘焊缝中的空洞尺寸和数量，往往采用格栅状焊膏印刷图形。这样，散热焊盘上焊膏的覆盖率就会低于100%，多数情况下只有30%～50%。这意味着QFN底部焊料熔化后会向下塌落（焊缝高度取决于散热焊盘，因为其面积远大于周边焊盘的面积总和），如图1-12所示。这会引起周边焊点熔融焊料的压挤效应，结果就可能导致周边相邻焊点的桥连，特别是双排QFN内圈的焊点，这就是QFN桥连产生的机理。

图1-12 QFN焊接工艺原理

案例2 BGA的球窝与开焊

BGA，特别是F-BGA，由于尺寸大，以及层结构，在再流焊接的焊接加热阶段，会发生由“哭脸”向“笑脸”的翘曲变形，如图1-13所示。这将引发BGA焊球与焊膏的分离——产生间隙，最终导致球窝或开焊现象。从图1-13中可以看到，BGA在室温时中心上弓（所谓的“哭脸”），随着温度升高逐渐变平。温度一旦超过封装铸塑时的温度（通常在150℃左右），BGA四角开始上翘（所谓的“笑脸”），角部、边上的焊球逐渐与PCB拉开距离，这是导致焊接出现球窝、开焊等不良现象的常见原因。在此阶段，焊球与焊膏分离，助焊剂无法去除分离的焊球表面的氧化物，而焊剂随着时间的延长也逐渐失去活性（反应消耗、挥发与分解）。随着温度的进一步升高，焊膏熔化，BGA塌落。这时即使熔融焊球与焊料接触，也会因焊球表面较厚的氧化层而不能很好地融合在一起，最终导致球窝缺陷。BGA焊接的这个例子，很好地诠释了焊点形成与封装焊接的不同。

图1-13 BGA焊接过程的热变形情况