1.6 表面組裝元器件的焊接

電子組裝采用的是軟釬焊技術，軟釬焊原理討論的是焊點的合金熔化與再結晶、焊接界面的反應（潤濕、擴散和合金化）課題，即冶金原理，與之有關的焊接不良包括冷焊、不潤濕、半潤濕、滲析、過量的金屬間化合物；而元器件的焊接討論的是元器件封裝級別多個焊點的焊接課題，焊接不良多與焊點形態有關，包括立碑、偏移、芯吸、橋接、空洞、開路、錫球、錫珠、飛濺物等。兩者討論的對象不同，工藝原理也不同。

單個焊點的形成，已經從被焊接鍍層、助焊劑方面得到了足夠的保障，我們了解焊接原理主要是“知其然”，以便制定這些材料的評價方法與標準，幫助我們分析焊接遇到的潤濕、芯吸和滲析等問題，了解提升可靠性的方法。如果僅焊接只有一個引腳的元器件，焊接不會有太多的問題，但是，對于多引腳、熱變形的表面貼裝元器件而言，焊接就會有很多的問題。事實上，我們遇到的絕大部分焊接不良都是元器件級別的，如橋連、開焊、移位、立碑等。

元器件級別的焊接，很大程度上取決于元器件的封裝結構（如電極間距、電極布局、封裝厚度）、對濕度的敏感性、焊盤設計和焊膏分配。元器件的焊接屬于多點并受封裝熱變形影響的焊接。由于每類封裝的結構不同，因而形成了各自獨有的工藝特性，也導致了生產中出現的焊接不良現象不同，如片式元器件的主要問題是立碑和移位，BGA（Ball Grid Array，焊球陣列封裝）焊接的主要問題是球窩和開焊，QFP（Plastic Quad Flat Package，方形扁平式封裝）焊接的主要問題是橋連和開焊，QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平無引腳封裝）焊接的主要問題是橋連、虛焊和空洞等。掌握各類封裝的工藝特點，是工藝設計、工藝優化的基礎。下面舉兩個例子予以說明。

案例1 QFN的橋連

QFN焊接時，操作板中間有一個大的散熱/接地焊盤，為了減少散熱焊盤焊縫中的空洞尺寸和數量，往往采用格柵狀焊膏印刷圖形。這樣，散熱焊盤上焊膏的覆蓋率就會低于100%，多數情況下只有30%～50%。這意味著QFN底部焊料熔化后會向下塌落（焊縫高度取決于散熱焊盤，因為其面積遠大于周邊焊盤的面積總和），如圖1-12所示。這會引起周邊焊點熔融焊料的壓擠效應，結果就可能導致周邊相鄰焊點的橋連，特別是雙排QFN內圈的焊點，這就是QFN橋連產生的機理。

圖1-12 QFN焊接工藝原理

案例2 BGA的球窩與開焊

BGA，特別是F-BGA，由于尺寸大，以及層結構，在再流焊接的焊接加熱階段，會發生由“哭臉”向“笑臉”的翹曲變形，如圖1-13所示。這將引發BGA焊球與焊膏的分離——產生間隙，最終導致球窩或開焊現象。從圖1-13中可以看到，BGA在室溫時中心上弓（所謂的“哭臉”），隨著溫度升高逐漸變平。溫度一旦超過封裝鑄塑時的溫度（通常在150℃左右），BGA四角開始上翹（所謂的“笑臉”），角部、邊上的焊球逐漸與PCB拉開距離，這是導致焊接出現球窩、開焊等不良現象的常見原因。在此階段，焊球與焊膏分離，助焊劑無法去除分離的焊球表面的氧化物，而焊劑隨著時間的延長也逐漸失去活性（反應消耗、揮發與分解）。隨著溫度的進一步升高，焊膏熔化，BGA塌落。這時即使熔融焊球與焊料接觸，也會因焊球表面較厚的氧化層而不能很好地融合在一起，最終導致球窩缺陷。BGA焊接的這個例子，很好地詮釋了焊點形成與封裝焊接的不同。

圖1-13 BGA焊接過程的熱變形情況