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IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 151 对于无铅焊点 ，固相扩散差异有更高的倾向导致柯肯达尔（ Kirkendall ）空洞（也称 IMC 微空洞） 。 IMC 较易 出现微型空洞，至少部分与无铅焊料所需的较高焊接温度有关。此外，平面微空洞会出现于无铅表面处理（如 浸银） ， 这通常会带来比 HASL 更复杂的焊接表面处理。 8.3.1 整体膨胀不匹配 整体膨胀不匹配是由于电子 元器件或连接器与印制板之间热膨…
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采用完全不同冶金方法获得的其它非 SAC 合金可提供较低的熔点，这本质上有利于组装工艺和有更好机械性
质（可靠性），但是这些合金由于其成分，比其它合金更昂贵。
8.2.2.4 无铅 BGA 焊球对组件制造的影响
由于熔点较高，
无铅 BGA 焊球合金对于再流工艺会有影响。一些元器件制
造商已经经历非预期的良率损失，因为他们并没有意识到
低银合金的存在。转换为低银合金焊球需要改变再流温度。
比如，对于特定 BGA 的熔点增加 10°C，可能会导致印制
板组件其它位置上超过其它元器件或印制板的持续时间或
温度极限。
采用过低的再流温度进行不恰当加工组装的低银部件，有极
大的可靠性风险。它们可能会通过电气测试，但可能会产出
不可接受的焊点（见图 8-5）。一些实验数据表明，良好组装
的低银部件的跌落性能比目前的 SAC 合金（如 SAC305、
SAC405 和 SAC387）要好；但是，低银合金的疲劳寿命一致
低于相对应的含银正常的合金。其它因素（如焊盘和连接盘
表面处理）对于可靠性也很关键。
8.3 焊点和连接类型
焊点并不是均质结构。焊点由一些不
同材料构成，其中许多只是表面上的特征。焊点的组成为：
• 印制板上的基底金属
• 一个或多个 IMC
• 焊料主体
• 为形成元器件侧 IMC 层而使焊料成分消耗后的焊点层
• 焊料和元器件基底金属所构成一层或多层 IMC
• 元器件的基底金属
焊料的晶粒结构随着时间不断变化。在室温下，共晶锡铅焊
料处于其再结晶温度之上，晶粒尺寸会随着时间增加。晶粒
结构的增长使得细晶粒结构的内能下降，当温度升高以及循
环负载作用期间应变能量的输入，晶粒生长过程得到加强。
因此在某种程度上讲，这种晶粒的生长过程可视作累积疲劳
损伤的标志。
对于这种迹象，老化试验后的焊点比运行使用后的焊点要明显的多（循环测试时不那么明显）。污染物（如锡
氧化物和助焊剂残留），有时会迁移到焊料的外表面，但主要的还是残留在晶粒的边界处。随着晶粒的生长，
这些污染物在晶粒边界的特定位置聚集导致浓度增加，从而弱化焊料。在经历 25% 的焊料疲劳寿命之后，微
空洞会在晶粒边界交叉处出现；在 40% 的疲劳寿命之后，这些微空洞会生长为微裂纹。这些裂纹继续增长并
合并形成大裂纹，导致焊点的全部断裂。
焊点通常连接着不同性质（如 CTE）的材料。焊料常常与连接结构材料的性质有显著不同，导致局部热膨胀
不匹配。这些热膨胀不匹配的严重性和可靠性威胁的严重性取决于组件设计参数和运行使用环境。
图 8-5 用典型工艺窗口的下限温度组装 1%
银焊球合金，形成不完整的焊点
A– CSP
B– 印制板
C– 未熔化的焊球
D– 不可接受的焊点
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对于无铅焊点，固相扩散差异有更高的倾向导致柯肯达尔（Kirkendall）空洞（也称 IMC 微空洞）。IMC 较易
出现微型空洞，至少部分与无铅焊料所需的较高焊接温度有关。此外，平面微空洞会出现于无铅表面处理（如
浸银），这通常会带来比 HASL更复杂的焊接表面处理。
8.3.1 整体膨胀不匹配
整体膨胀不匹配是由于电子
元器件或连接器与印制板之间热膨胀的差异造成的，
而这些器件是通过表面贴装的焊点连接的。由于 CTE
差异和有源元器件内热能耗散造成的热梯度，导致了
这些热膨胀上的差别。整体 CTE 不匹配，其典型范围
从 CTE 调整后适用于高可靠组件的约 2ppm/°C 到 FR-4
印制板上的陶瓷元器件的≥ 14 ppm/°C。
图 8-6 显示了由于 CTE 不匹配在晶圆级别 CSP 上导致
的焊点失效。顶部硅芯片比底部 FR-4基板膨胀低得多，
这会造成剪切应力作用在焊点上，并当遭受温度循环
应力时最终在芯片到焊料连接界面失效。
8.3.2 局部膨胀不匹配
局部膨胀不匹配是焊料与元
器件基材或与要焊接的印制板之间热膨胀差异导致
的。这些热膨胀的差异是由于温度变化时焊料和基材
热膨胀系数 CTE 的差异造成的。局部 CTE 不匹配的
常见范围：从与铜的 7ppm/°C 到与陶瓷 18ppm/°C 以及与 42 号合金和 Kovar 的 20ppm/°C。局部膨胀不匹
配通常小于整体膨胀不匹配，因为作用距离（最大为润湿区尺寸）要小得多：大约在几百微米级而非几千
微米级。
8.3.3 内部膨胀不匹配
对于锡铅焊料，内部 CTE 不匹配是由于焊料的富锡区域和富铅区域的 CTE 差异所造
成。内部热膨胀不匹配通常是最小的，因为其作用距离（晶粒结构尺寸），远小于润湿长度或者元器件尺寸（小
于 25
μ
m）。
8.4 焊料连接失效
焊料连接失效通常定义为构成元器件焊料连接的任何焊点的首次完全断裂。由于焊点承
受的负荷通常是剪切而非拉力的方式，焊点的机械失效不一定与电气失效相同。电气失效在初期至少是一个焊
点导致的机械失效，以机械或热扰动时偶然发生短持续时间＜ 1
μ
s 高阻抗事件的形式出现。
对某些应用，焊料连接失效的定义可能是不充分的。对于上升沿时间极快的高速信号，在焊点机械完全失效之
前的信号恶化可能需要有更加严格的失效定义。类似地，对于电子组件遭受很大机械振动和／或冲击负载的应
用，考虑到焊点的机械弱化是疲劳损伤累积的结果，这样的失效定义可能是必要的。
8.4.1 焊料连接失效分类
有一些常见的 BGA 失效特征。这些缺陷可在组装工艺期间引起，或者它们可
能是潜在焊点缺陷或失效。这样的缺陷和／或失效是由不充分的组装工艺、有缺陷的材料或组装过程中过
大的机械应力所导致的。这些缺陷可能是部分开路或是表现为极其微弱的连接界面，潜在失效可能为头发
丝般的裂纹、完全接触的开路焊点和连接盘部分翘起，因为这些缺陷可能是间歇性的，所以它们是主要的
可靠性问题。
这些缺陷难以通过采用传统工艺验证工具（如 X 射线和 ICT）侦测到，它们可以在随后的高级别失效中追
溯到。
各种焊点失效特征的解释参见 8.4.1.1 至 8.4.1.7。
图 8-6 由于硅芯片与印制板热膨胀系数（CTE）不
匹配引起的焊点失效
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8.4.1.1 失效特征—1：冷焊点
冷焊点起因于再流焊
工艺期间峰值温度低（比液相线温度小 20°C）。 焊 膏部
分融化时会形成冷焊焊点。
这类焊点具有粗糙的表面，有时在印制板界面处会变
细。焊料会呈现出颗粒状（如图 8-7 所示），且 BGA 焊
球和焊膏的颗粒结构会有不同，表明焊膏并没有达到
合适的再流温度，在某些情况下，焊膏可能并没有融
合。应该指出的是对于大部分无铅焊料，焊点的表面
会呈现颗粒状。
8.4.1.2 失效特征 2：不可焊的连接盘
印制板连接盘
上的污染物会造成印制板连接盘和 BGA 焊球之间不可
焊接的界面，此时焊料只会对 BGA 焊球润湿而不会对
连接盘润湿。这可能会导致电气接触部分或完全开路。
有这种特征的失效可能是 ENIG 印制板有缺陷的镍镀层
造成的，也可能是印制板供应商返工工艺以及在 BGA
区域重新施加阻焊膜造成的。
图 8-8 显示了阻焊膜残留的失效。
8.4.1.3 失效特征 3：焊球脱落
焊球脱落是一种在
焊料球和 BGA 基板之间形成的焊点开路。这会导致
BGA 焊球脱落，从而产生具有圆顶或平顶的拉长焊球。
焊球脱落是由于波峰焊接时（＞液相线温度 -20°C）基
板正面温度过高引起的失效。
波峰焊接时，由于基板正面高温使 BGA 焊球变软。热
机械应力导致焊球从元器件基板拉离并产生如图 8-9 所
示的焊点开路。焊球脱落也会由于再流焊期间峰值温
度过高和保温时间过长引起的。
图 8-7 呈现颗粒状外观的冷焊点
图 8-8 连接盘污染（阻焊膜残留）
图 8-9 焊球脱落