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电子组装技术的发展趋势
- SMT发展总趋势是电子产品功能越来越强、体积越来越小、价格越来越低、更新换代的速度也越来越快。
- 电子产品的小型化促使半导体集成电路的集成度越来越高，SMD和IC的引脚间距也越来越窄，引脚间距从0.3mm的细间距甚至缩小到0.1mm， 窄引脚间距已经成为现实。
- 无铅焊料取代Sn-Pb焊料就成为必然趋势，欧盟、美国、日本等工业发达国家，已经全面禁止铅的使用，包括禁止进口含铅的电子产品。电子组装朝着无铅转化方向发展，无铅组装是SMT发展的必然趋势。
- 在组装技术方面：BGA、CSP的应用已经比较广泛、工艺也已经成熟了，0201(0.6×0.3mm)在多功能手机、CCD摄像机、笔记本电脑等产品中广泛地应用。倒装芯片（Flip Chip）在美国IBM、日本SONY公司等都已经得到广泛应用，多芯片MCM功能组件是进一步小型化的方向。
- 目前我国使用的SMT设备已经与国际接轨，但设计、制造、工艺、管理技术与国际有差距，加强基础工艺研究。努力使我国真正成为SMT制造大国和制造强国是发展的总趋势。
- 电子器件及其组件在使用过程中，由于应力、时间、温度和环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。这种丧失其规定功能的现象称为失效。
- 对电子器件及其组件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。
- 失效分析是一门交叉、边缘、综合的新兴学科，它涉及广泛的学科领域和技术门类，在提高产品质量、技术开发、改进、产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。
通过对失效件的分析，明确失效类型、找出失效原因，采取改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命范围内再发生，对装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用都有指导意义。这就是失效分析的目的。失效分析的意义
(1)失效分析可减少和预防产品或装备同类失效现象重复发生,从而减少经济损失或提高产品质量。(2)失效是产品质量控制网发生偏差的反映,失效分析是可靠性工程的重要基础技术工作,是产品全面质量管理中的重要组成部分和关键技术环节。(3)失效分析可为技术开发、技术改造、科学技术进步提供信息、方向、途径和方法。(4)失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案例、开展技术保险业务、修改和制定产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。(5)失效分析可为各级领导进行宏观经济和技术决策提供重要的科学的信息来源。
失效分析与其他学科的关系
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失效分析的任务
总任务就是不断降低产品或装备的失效率,提高可靠性,防止重大失效事故的发生,促进经济高速持续稳定发展。从系统工程的观点来看,失效分析的具体任务可归纳为:
中国电子行业失效分析
1 可靠性测试：高投入，极度重视，采购老化实验设备，但如何对次品进行改进，无后文。
2 失效分析：低投入，不重视，未设置专门的部门与人员，仅有维修部门，不做分析即返修。
1 美国：科技强国，重视可靠性测试，将问题消灭在萌芽中，改进之。2 日本：工业强国，重视失效分析，总结问题根源，不断改进追求的境界：美国目标管理，绩效管理；日本全面质量管理
无铅焊料熔点较高， SAC无铅合金的熔点约在217℃左右，而传统的63/37 Sn/Pb共晶焊料焊点是183℃，因而温度曲线的峰值温度大幅度增加，温度曲线的提升会带来焊料易氧化及金属间化合物生长迅速问题。另外由于焊料不含铅，焊料的润湿性能较差，容易导致产品焊点的自对准能力、拉伸强度、剪切强度等不能满足要求。另外，PCB承受的温度和元器件MSL水平都要相应地提高。![]()
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电子行业铅含量只占全世界用铅量的0.5%
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我们不是规则的制定者，只是游戏的参与者。
SMT无铅焊料
There are optimal Pb-free alloys for given applications
Surface Mount (Sn-Ag-Cu)
Wave solder (Sn-0.7Cu)
Surface finish (OSP, Ni-Au, Sn, Ni-Pd)
Flip chip and Through-hole (Sn-Cu)
Die attach (Sn-Sb)
ENIG黑盘现象
一、ENIG的优点
1、焊盘平整度好
2、可焊性好
3、接触电阻小
4、可以进行Wire-bonding，可替代电镀镍金
5、高湿环境中不氧化，可作散热表面
二、ENIG的制作流程
清洗—微蚀—活化—化学镀镍—化学浸金—水洗
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黑盘的产生主要是
(1)PCB在做ENIG前的镀镍层如果已经先氧化, 或有药水残留,做ENIG后, ENIG层会把镀镍层氧化给覆盖, 因此ENIG后看不出来可是因为ENIG层很薄, 同时镍层氧化所以附着强度不好 (2)因此回流焊后受高温, 很容易剥离, 甚至有些严重到没使用就已脱落,并且焊接后也不一定能保证剥离不会发生(3)因此要改善此问题, 还是要严格要求PCB厂ENIG前的制程控制, 包括镀镍后的及清洗药水的残留, 防氧化控制等表面越平坦越有利于减少黑盘的发生；反之，表面不平坦容易造成金对镍晶界的过度攻击，形成黑盘。为了保证表面平整度，一般要求镍层的厚度至少在160uin（4um）以上。- 业界一般认为P含量在8-10wt%时，有利于防止黑盘的发生
- P含量过低，镍层的抗腐蚀能力变差，浸金过程中，金对镍层的攻击更强，即腐蚀严重，容易产生富P层，导致可焊性下降，从而容易造成黑盘的发生。
- 如果镍层中的P含量过高，酸性浸金槽对EN层腐蚀较小，最初焊接的时候，化学镍金焊盘最表面的金层迅速溶解到锡中，锡和下面的镍层形成了镍锡金属间化合物，从而形成焊点连接，很少出现黑盘现象，但此后在大电流密度时产生的热应力以及环境温度变化使IMC不断增大，而镍层中的P不参与这个形成IMC的反应，因此，随着过程的进行，在镍与IMC界面处便会形成P的富集层，这个富P层和镍锡IMC的结合力很弱，会严重影响焊点的强度，成为断裂面。
在浸金过程中,由于过度腐蚀而使Ni(P)表面缺乏可焊性,但也包括不同合金或合金化合物在界面附近产生的作用。“黑盘”现象反映在接点焊盘或附近出现明显的脆弱性,降低机械耐疲劳强度。根据这种机理,看上去很完美的金属间化合物结构会随着时间的推移而退化。![]()
泥裂
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IMC层断裂
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1.严格控制制程, 包括镀镍后的及清洗药水的残留, 防氧化控制等2. ENIG 厚度控制在5-6um和0.05-0.125um. 金脆现象
镀金表面的焊盘，在焊接完成后，表面的金会溶解到焊料中并形成许多金属间的IMC化合物。由于这些含金化合物颗粒非常脆，焊点也表现出一定的脆性，业界称为“金脆”。
一般认为焊点中的金含量超过3wt%时会引起典型的金脆缺陷。
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电镀镍金中镍的厚度是5-10um，金的厚度是0.1-1.0um。回流时，AuSn4首先在界面上生成，然后脱落下掉到焊料中去。金层（最初1um）在少于10秒回流时间内转换为AuSn4，新生成的AuSn4在少于30秒内破碎到焊料中去。具体可分为以下四个阶段：![]()
焊点变脆
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1 Thick Au makes the joint brittle due to excessive AuSn4 needles (18%, 4% as a threshold) 2 Applied tension stress will exaggerate the joint broken.3 Recommend 0.05-0.3um for soldering terminal, 1um for contact.1厚金由于过量的AuSn4针（18%，4%作为阈值）使接头变脆3 焊接端子推荐0.05-0.3um，接触面推荐1um。![]()
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焊点形成长时间后，界面上重新聚聚析出AuSn4，使界面变脆，界面变成金-镍-锡-Ni3Sn4-Ni，裂纹主要发生在AuSn4和Ni3Sn4界面上发生。
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无铅有铅混装工艺
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工艺上要设定好向前兼容和向后兼容的温度参数，密切监控焊后合金本体扩散的均匀性。
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Figure 9a: Pb diffused along the grain boundary withreflow profile below the lead free solder ball meltingpoint, Black/Grey- Pb Rich, Rod shape - Ag3Sn, GreyParticles-Cu6Sn5.
图9a：铅沿晶界扩散，无铅焊球熔点的回流轮廓，黑色/灰色-铅丰富，棒状-Ag3Sn，灰色颗粒-Cu6 Sn5。
Figure 9b:The refined solder microstructure obtainedwhen the peak reflow temperature is higher than (217°C)the melting point of95Sn4.5Ag0.5Cu。图9b：当峰值回流温度高于95Sn4.5Ag0.5Cu的熔点（217°C）时获得的精炼焊料微观结构。Backward Compatibility solder joints showed severe grain growth if the peak soldering temperature was below the lead free solder ball melting point.如果峰值焊接温度低于无铅焊球熔点，则后向兼容性焊点显示出严重的晶粒生长。![]()
Figure 10:Solder ball was not completely collapsed aftercooling and this led to abnormal joint shape (showingnecking). Pb was not diffused throughout the whole solderjoint.图10：焊球在冷却后没有完全塌陷，导致接头形状异常（显示颈缩）。铅没有在整个焊点中扩散。The potential Failure modes for this kind of PBGA assemblies are shown as follows.![]()
FM1-Crack initiate from solder and propagate along solder innerFM2-Crack initiate at the corner of the solder ball and then propagate along the copper padFM3-Crack initiate from the PCB materials and propagate along the PCB materials.FM3-Crack从PCB材料开始，沿PCB材料延伸![]()
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在电流和含卤助焊剂残留离子的双重作用下，容易发生枝晶生长。
表3电迁移发生的加速因素
| 对离子迁移生长的影响 |
| 电极材料 | (快)Ag>Cu>Pb>SnPb>Sn>Au(慢) |
| 温度 | 在常温到90℃时依存性大 |
| 湿度 | 在80%RH以上发生，沾着水分多，生长就越快 |
| 电压 | 电压越高生长越快，对交流、频率的倒数敏感 |
| PH | 酸性越强，析出速度越大 |
| 离子性不纯物 | 卤素浓度越高，生长速度越快 |
| 水中溶解氧 | 氧溶解越多，生长速度越快 |
| 基材 | 吸水性越大，生长速度越快 |
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锡晶须试验方法
三类锡须产生机理及观察试验方法检测标准：小于50um |
锡须分类 | 产生机理 | 依据标准 | 试验方法(扫面电镜检查测试) |
恒温锡须 | Cu扩散至Sn
引起内应力 | JEITA/NEMI | 20℃~25℃,55±25%RH,1000小时 |
湿热锡须 | Sn氧化
产生内应力 | JEDEC/NEMI | 60℃,90±5%RH/60℃,93+2/-3%RH
1000小时 |
热冲击
锡须 | Cu/IMC/Sn间
CTE不匹配
引起内应力 | JEITA/NEMI | -55℃/-40℃~+85℃
3个循环/小时，1000循环 |
- Ni作为电镀底层，阻止Cu原子向IMC的扩散形成压缩应力
- 尽可能选用SnAqCu、SnBi等多元合金作为镀层，减缓Sn原子的扩散迁移速率
- 镀层在150℃到170℃老化，尽快形成较厚的Cu6Sn5成分的IMC，有利于减小Cu原子扩散的时效应力
亮锡与毛锡工艺特点对比
| 毛锡 | 亮锡 |
含碳量 | 0.005~0.05% | 0.2～0.4% |
晶粒大小 | 2 ~5um | 0.5~0.8um |
2 纯锡镀层在24小时内进行150c1小时老化处理或回流以消除应力，3 采用毛锡镀层，厚度推荐大于8um，毛锡碳含量较低，大晶粒尺寸，一般2um。低碳含量导致晶格变形小，引起的内应力小。大晶粒尺寸热力学性能稳定，![]()
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焊点表面应力释放模式
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1 Excellent solderability owned by Au plating will induce tombstone failure once there is a little bit difference on wetting force2 Change current Au plating to Tin plating 3 Avoid tombstone occurrence in regardless of using which kind of solder paste, even for Indium 8.9E with high active flux.1. 镀金具有良好的可焊性，一旦润湿性稍有差异，就会导致墓碑失效3 避免墓碑现象，无论使用哪种焊膏，即使是高活性助焊剂的铟 8.9E。![]()
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失效机理是什么呢，首先来看一下焊点可能失效的几种情况，然后针对无铅焊点做失效分析。结果表明，靠BGA一侧焊点界面开裂是导致功能失效的原因，同时观察到开裂的断面平整，呈现脆性断口形貌。![]()
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首先想到的是材料问题，因为在有铅的时代这种问题出现的几率很小。![]()
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1500G, 0.5 ms pulse, face-down, 30 drops![]()
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我们在做失效分析时发现断裂发生在BGA一侧的IMC与基板之间，且呈现脆性断口特征，成分是Cu ,Ni,Sn,各元素的比例不固定。
跌落失效－断裂界面分析
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TEM研究得出初步结论：界面IMC有两层，靠近焊料较厚的是(CuNi)6Sn5，靠近基板较薄的是(NiCu)3Sn4,断裂发生在这两层IMC之间，因为原子扩散速率不同的原因，在此界面容易产生Kirkendall空洞，降低了界面的结合力。![]()
完结——以下无正文
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