冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响

PCBA之BGA焊点“虚焊”一、概念：电路板调试过程中，会出现“BGA器件外力按压有信号，否则没有信号的现象"，我们称之为“虚焊”。

二、原因分析：从焊点的形貌方面分析，BGA焊点的接收标准在IPC-A-610D中的定义为：优选的BGA经X光检测，焊点光滑、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置准确，无偏移或扭转，无焊锡球，如图1所示。

实际经验得出明显的虚焊焊点形状不规则或圆形四周不光滑或焊点尺寸小，如图2所示。

图1 图22.1焊球及焊盘表面氧化若器件焊球氧化或PCB板焊盘氧化，焊料很难与焊盘之间形成牢固的冶金结合，从而不能提供持续可靠的电气性能，即表现为“虚焊”现象。

2.2焊点裂纹若BGA焊点在界面处出现裂纹，从而导致机械及电气性能失效，我们也称之为“虚焊”。

BGA焊点裂纹主要是因为PCB基板和元器件的基膨胀系数不匹配（FR4的CTE为18ppm/℃，而硅芯片的CTE为2.8ppm/℃），焊点中存在残余应力而导致的。

BGA焊点（无论是SnPb还是SnAgCu焊点）裂纹绝大多数都是出现在焊球与器件的基板之间，即封装一侧，并且裂纹非常靠近封装一侧的金属间化合物。

软件模拟与试验结果是吻合的。

个人认为这种结论在一定程度上暴露了器件本身存在的质量问题。

如图3、4为BGA焊点的金相分析图及光学检测图，裂纹出现在器件上端。

IPC-A-610D中指出：只要裂纹底部不深入到焊点内部影响电气及力学性能就能判定为合格。

但如果焊点中有裂纹，可能暂时不会影响整机的电气性能，但是在高低温循环或冲击的载荷下裂纹进一步扩展使焊点断开，则会导致整机失效。

因此在实际生产中，尤其是军品，BGA焊点是不允许出现裂纹的。

2.3冷焊焊点在回流阶段，如果焊料在液相线以上温度时间过短，焊料与焊球还没有充分融合到一起随即进入冷却区，这样就会出现冷焊焊点，这种焊点表面粗糙，长期可靠性差，很容易引起焊点失效，形成“虚焊”。

影响再流焊质量的原因(--)PCB焊盘设计SMT的组装质量与PCB焊盘设计有直接的、十分重要的关系。

如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在再流焊时，由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正(称为自定位或自校正效应)；相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，再流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。

根据各种元器件焊点结构分析，为了满足焊点的可靠性要求，PCB焊盘设计应掌握以下关键要素：1.对称性——两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡表面张力平衡。

2.焊盘间距—确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸。

焊盘间距过大或过小都会引起焊接缺陷。

3.焊盘剩余尺寸——元件端头或引脚与焊盘搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面。

4.焊盘宽度——应与元件端头或引脚的宽度基本一致。

以矩形片式元件为例，图5为焊盘结构示意图.如果违反了设计要求，再流焊时就会产生焊接缺陷，而且PCB焊盘设计的问题在生产工艺中是很难甚至是无法解决的。

例如：1.当焊盘间距G过大或过小时，再流焊时由于元件焊端不能与焊盘搭接交叠，会产生吊桥、移位。

2.当焊盘尺寸大小不对称．或两个元件的端头设计在同一个焊盘上时，由于表面张力不对称，也会产生吊桥、移位。

3.导通孔设计在焊盘上，焊料会从导通孔中流出，会造成焊膏量不足(二)焊膏质量及焊膏的正确使用焊膏中的金属微粉含量、金属粉末的含氧量、粘度、触变性都有一定要求。

如果焊膏金属微粉含量高，再流焊升温时金属微粉随着溶剂、气体蒸发而飞溅，如金属粉末的含氧量高，还会加剧飞溅，形成锡珠。

此外，如果焊膏粘度过低或焊膏的保形性(触变性)不好，印刷后焊膏图形会塌陷，甚至造成粘连，再流焊时也会形成锡珠、桥接等焊接缺陷。

焊膏使用不当，例如从低温柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的温度比室温低，产生水汽凝结，即焊膏吸收空气中的水分，搅拌后使水汽混在焊膏中，再流焊升温时，水汽蒸发带出金属粉末，在高温下水汽会使金属粉末氧化，飞溅形成锡珠，还会产生润湿不良等问题。

SMT回流焊常见缺陷分析及处理不润湿（Nonwetting）/润湿不良（Poor Wetting）通常润湿不良是指焊点焊锡合金没有很好的铺展开来，从而无法得到良好的焊点并直接影响到焊点的可靠性。

产生原因：1.焊盘或引脚表面的镀层被氧化，氧化层的存在阻挡了焊锡与镀层之间的接触；2.镀层厚度不够或是加工不良，很容易在组装过程中被破坏；3.焊接温度不够。

相对SnPb而言，常用无铅焊锡合金的熔点升高且润湿性大为下降，需要更高的焊接温度来保证焊接质量；4.预热温度偏低或是助焊剂活性不够，使得助焊剂未能有效去除焊盘以及引脚表面氧化膜；5.还有就是镀层与焊锡之间的不匹配业有可能产生润湿不良现象；6.越来越多的采用0201以及01005元件之后，由于印刷的锡膏量少，在原有的温度曲线下锡膏中的助焊剂快速的挥发掉从而影响了锡膏的润湿性能；7.钎料或助焊剂被污染。

防止措施：1.按要求储存板材以及元器件，不使用已变质的焊接材料；2.选用镀层质量达到要求的板材。

一般说来需要至少5μm 厚的镀层来保证材料12个月内不过期；3.焊接前黄铜引脚应该首先镀一层1～3μm的镀层，否则黄铜中的Zn将会影响到焊接质量；4.合理设置工艺参数，适量提高预热或是焊接温度，保证足够的焊接时间；5.氮气保护环境中各种焊锡的润湿行为都能得到明显改善；6.焊接0201以及01005元件时调整原有的工艺参数，减缓预热曲线爬伸斜率，锡膏印刷方面做出调整。

黑焊盘(Black Pad)黑焊盘：指焊盘表面化镍浸金（ENIG）镀层形态良好，但金层下的镍层已变质生成只要为镍的氧化物的脆性黑色物质，对焊点可靠性构成很大威胁。

产生原因：黑盘主要由Ni的氧化物组成，且黑盘面的P含量远高于正常Ni面，说明黑盘主要发生在槽液使用一段时间之后。

1.化镍层在进行浸金过程中镍的氧化速度大于金的沉积速度，所以产生的镍的氧化物在未完全溶解之前就被金层覆盖从而产生表面金层形态良好，实际镍层已发生变质的现象；2.沉积的金层原子之间比较疏松，金层下面的镍层得以有继续氧化的机会。

无铅波峰焊接质量分析(DOE)摘要：达柯(Taguchi)试验设计(DOE, design-of-experiment)方法和统计过程控制(SPC, statistical process control)是评估波峰焊接中无铅工艺的有效方法，其目的是要为特定应用的最佳设置确定基本的控制参数。

本文通过分析无铅波峰焊接的各个工艺参数，运用DOE方法进行大量的试验，采用统计学原理分析产生各种缺陷的工艺因素，并确定优化的无铅波峰焊接工艺。

关键词：DOE；无铅波峰焊；工艺参数Lead-free wave soldering quality analyzingHU Qiang1，LI Zhong-suo1，ZHAO Zhi-li2，Li Da-le2（1．Lead-free soldering R&D Center of Sun East Electronic Co.Ltd，Shenzhen 518103，China 2．Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)Abstract: Taguchi DOE and SPC are availability methods of evaluating lead-free process in wave soldering, which makes basic controlling parameters for the best setup.In the paper all the processes of lead-free wave soldering were analyzed, a great deal of experiments were done by DOE, many of soldering defects due to process were analyzed by SPC and the best lead-free wave soldering processes were made.Key words：DOE；Lead-free wave soldering；Process parameters对于波峰焊接工艺，从有铅转变到无铅将影响大多数机器参数。

快速冷却对DP1000双相钢激光焊接接头性能的影响0 序言汽车制造业的轻量化需求促进了先进高强钢的应用与发展，出现了多个新的钢种[1]，其中双相钢(DP钢)因具有较高的原始加工硬化速率、较低的屈强比、较高的变形能力等在减轻车重的同时能保证车辆良好的安全性能，从而成为汽车轻量化用钢的理想材料[2].但是该钢种在焊接热源的作用下热影响区会发生软化现象[3-5]，造成焊接接头力学性能和成形性能的降低[6-7]，影响了其在汽车中的使用.涡流的本质是电磁感应现象，它是指移动的金属导体在磁场中运动时，在移动金属中产生感应电动势，从而产生感应电流的现象。

其产生的基本条件有两个：一个是不断变化的磁场，不断变化磁场会带来磁通量的变化，另一个是金属体本身可自行构成闭合回路，因此，感应电动势才能最终在闭合回路中形成感应电流。

．当金属导体回路的电阻很小时，会在闭合回路中产生很大的感应电流，就像水中的旋涡，因此简称涡流。

从以上原理分析可以发现：在电磁炉上使用的锅必须满足一个条件，那就是锅的材质必须是具有磁性的。

所以电磁炉使用的锅应该是铁系(搪瓷、铸锅、不锈铁)锅，不锈钢锅，复合底锅必须是电磁炉专用。

对于双相先进高强钢的激光焊接接头软化问题，专家和学者进行了大量的研究工作，研究发现双相钢焊接热影响区的软化不仅与焊接热输入等焊接过程有关[8]，还与钢材本身的化学成分、强度级别等有关[9]；而对于软化原因和软化现象也有了统一的认识，即双相钢的制造工艺特点(通过连续冷却、控制轧制获得的)决定了焊接过程中的重新加热不可避免的会使原始组织中的马氏体发生变化，从而造成其热影响区的软化现象；但是对于双相钢激光焊接热影响区的软化还没有提出更好的解决途径.为了达到改善热影响区软化程度的目的，通过在激光热源后方5 mm处通入冷却水的方式使焊件达到强制快速冷却，并在焊接试板上下表面通入氩气来保护焊缝不受水流污染，从而来探讨DP1000双相先进高强钢快速冷却对激光焊接头软化的影响.1 试验方法试验材料选用某钢铁公司生产的DP1000连续冷轧双相钢板，厚度为1.5 mm，其微观组织如图1所示，主要化学成分及力学性能见表1和表2所示.双相钢由铁素体和马氏体组成，马氏体呈岛状分布在铁素体基体上，这种双相的组织特点保证了该钢在强度提高的同时，仍具有足够的塑性和韧性.通过分析以上前馈串级投运前后的温度控制误差，投运后温度误差明显可控制在±10%内，前馈串级炭黑温度控制调节精度相当好。

冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响史建卫，江留学，梁永君，杨建民，柴勇（日东电子科技（深圳）有限公司）摘要：无铅再流焊中冷却速率影响焊点力学性能及可靠性。

快速冷却可以细化组织，间接控制金属间化合物厚度和形态，影响焊点断裂模式，提高焊点综合性能。

但由于元件与PCB等材料的热不匹配性而造成的较大应力，易造成元件或焊点失效等。

本文通过对文献中研究结果的总结，设计了炉冷、空冷和水冷等几种再流焊冷却方式，并对焊点进行了强度测试和组织成分分析，建议工业用最佳冷却斜率控制在3〜6C/s。

关键词：冷却速率；无铅再流焊；金属间化合物；焊点质量；应变速率Effect of Cooling Rate on Solder Joint QualityIn Lead-free Reflow Soldering1Shi Jianwei , Jiang Liuxue, Liang Yongjun, Yang Jianming, Chai Yong(Sun East Electronic Technology Company Lt.d )Abstract: Cooling rate affects mechanic property and reliability of solder joint markedly in lead-free reflow soldering. Rapid cooling rate can fine structure, control indirectly thickness and modality of intermetallic compound, affect failure style and reinforce performance of solder joint, but stress induced by mismatching between components and PCB materials brings about invalidation of produce. The paper summarizes the work of documents and projects a experiment of oven cooling, air cooling and water cooling for reflow soldering, tests solder joints strength and analyzes metallograph of interface compound as well. The optimums cooling rate is 3 to 6 Celsius per seconds in electronic industry.Key words: Cooling Rate; Lead-free Reflow Soldering; Intermetallic Compound (IMC); Solder JointQuality; Strain Rate1引言无铅化电子组装给传统组装工艺带来了一次变革，包括材料、设备及工艺各个方面，设计、生产及检测等各个阶段，均岀现了新的要求与规范。

无铅回流焊接工艺温度曲线冷却速率至关重要良好可控的回流工艺影响焊接质量。

对无铅焊接，各种不同的回流参数及工艺、材料与成品率和质量的关系，再次成为今天研究的主题。

由于现在的强制对流回流炉子的设计可以获得并控制很好的热稳定性和一致性,许多问题已经可以得到回答或解决，比如最高温度对零件可靠性的影响,如何降低回流最高温的要求,焊料成份的影响,减小ΔT的重要性,焊料在液态的滞留时间,以及焊料和助焊剂的匹配兼容性，等。

但是人们通常忽略了对冷却速率在焊接质量和成品率影响的研究和评估。

传统电子组装的冷却仅仅强调PCB板子的出炉温度和快速的回流回流速度，当无铅材料出现的时候,这个问题又被重新拿出来讨论。

最近的研究显示冷速率影响了焊接的微细构造的形成和最终焊接质量。

更快的冷却速率被采纳和应用，还因为快冷却速率的好处包括降低出炉温度,降低PCB板子、板子的镀层、热敏感性元器件、助焊剂和焊料在高温的时间, 减少金属化合物的形成。

然而，人们仍然面临这样的矛盾，即比较慢的冷却率可以减少不同热膨胀或热容量系数材料中的内应力。

这份报告研究和阐述了冷却的速率在回流工艺中的重要影响。

其中描述了冷却过程中焊接剪切力及微观组织的变化趋势，和不同板子的焊接表面材料对焊接力的影响。

为发展复杂无铅工艺找到了几把钥匙。

实验研究使用了一个标准的有可控冷却系统的回流炉。

板子是一块放满元器件的中等尺寸的板子(33cmx40.6cm,1.25kg)。

当三个冷却区被配置达到慢的和快速的冷却率的时候,加热部分的温度曲线保持不变。

温度测量使用了一个标准的数据装置和新的标准的热电偶。

用紫外线可修整的粘胶把热电偶粘在二个代表板子最冷的和最热的位置的器件上。

先前就对这些元器件做过了一些评估。

无铅回流曲线的冷却斜率是以最高温度和200°C之间来计算取值的。

在当今使用典型的板子和现代的强制对流的回流回流炉时,冷却速率决定了焊料在液态的时间和冷却的速度。

本研究共使用三种板子,它们是铜有机(Cu-OSP)，无电镀的镍-金(ENIG)和渗锡(ImmSn)表层的板子。

无铅回流焊冷却速率对焊点质量的影响作者：罗纯嘉来源：《科学与财富》2015年第23期摘要：随着电子组装行业的发展和进步，组装工艺的要求越来越高，尤其在无铅化进程加快的背景下，越来越多的厂家开始关注焊接工艺的调整和改善，以焊接工艺来讲，如何在焊接过程中保持理想的冷却速率，已然成为众多厂家高度关注的问题。

文章以无铅回流焊为例，积极探究在这种工艺技术下，其冷却速率对于焊点质量造成的影响，并且以此去引导无铅回流焊的冷却操作过程，以保证焊点质量的不断提升。

关键词：无铅回流焊；冷却速率；焊点质量从理论上来讲，无铅钎料熔点较高，焊接温度也会处于较高的状态，此时以较快的冷却速度来实现出炉温度的控制，使得焊点内部组织和化合物的厚度保持理想状态下，从而保证焊点质量能够达到预期要求。

由此可见，积极探究无铅回流焊冷却速率对焊点质量的影响，可以更加有效的引导我们去实现回流焊工艺流程的管控过程，这对于提升焊点质量来讲，是至关重要的。

一、无铅回流焊工艺概况新型钎料的不断出现，使得Sn-Pb共晶钎料被代替，其突出的特点为：熔点更高，只有保证钎焊峰值温度要高于出熔点，才能够展现出良好的润湿，这在客观上使得其出炉温度不断提升，这就要求回流焊能够具备较强的加热能力。

除此之外，温度的身高润湿性处于较弱的状态，一旦润湿角出现增大的情况，润湿力就会不断减小，圆角就会出现过渡不圆滑的情况，甚至出现空洞也是很有可能的。

为了规避上述问题的出现，要求对于回流焊的设备工艺实现全面控制，是很有必要的。

相对于传统Sn-Pb共晶钎料加工工艺，无铅回流焊工艺的区别主要体现在以下几个方面：其一，预热区时间长，温度高，助焊剂需要在回流区充分发挥出来，由此去实现润湿性的合理化；其二，熔点高，回流温度高，工艺操作的温度差出现缩小的情况，这就要求以更加精确的方式去实现温度控制，以保证工艺余量的合理性；其三，润湿性差，助焊剂质量要求高，应该尽可能使用活性不强的产品，并且做好氮气保护工作；其四，焊接区域温度高，出炉温度也比较高，这就需要实现钎料液相线时间的控制，这就对于冷却速率提出了全新的要求。

双面再流焊过程中BGA焊点开裂问题的工艺研究发布时间：2023-05-30T09:53:56.169Z 来源：《中国建设信息化》2023年6期作者：张涓王志华[导读] 摘要：随着电子元器件封装的不断发展，BGA封装器件在军工行业的产品中得到广泛应用。

BGA（Ball Grid Array）具有安装高度低、引脚间距大、引脚共面性好的特点，在工作时芯片温度更加容易接近环境温度，电气性能更加优越。

BGA组装主要在双面表面贴装的印制板组件上进行焊接，一般首先焊接印制板底面（Bot面）的元器件，然后再焊接印制板顶面（Top面）的元器件，印制板组件在过再流焊时，由于高温及重力作用，印制板组件会发生向下的弯曲变形，这种变形会导致布局在印制板上的BGA因热应力而开裂。

通过判读BGA 焊点断裂的裂纹形貌特征，我们把这种不良现象称为BGA焊点开裂。

摘要：随着电子元器件封装的不断发展，BGA封装器件在军工行业的产品中得到广泛应用。

BGA（Ball Grid Array）具有安装高度低、引脚间距大、引脚共面性好的特点，在工作时芯片温度更加容易接近环境温度，电气性能更加优越。

BGA组装主要在双面表面贴装的印制板组件上进行焊接，一般首先焊接印制板底面（Bot面）的元器件，然后再焊接印制板顶面（Top面）的元器件，印制板组件在过再流焊时，由于高温及重力作用，印制板组件会发生向下的弯曲变形，这种变形会导致布局在印制板上的BGA因热应力而开裂。

通过判读BGA焊点断裂的裂纹形貌特征，我们把这种不良现象称为BGA焊点开裂。

关键词：双面再流焊接过程；焊点开裂；研究引言在元器件的组装过程中，通常采用合金焊接工艺，其中在军用电子产品中主要使用锡铅焊料进行电气连接。

锡铅焊料能起到良好的润湿，并在焊点表面形成保护作用，提高产品的抗蚀性能，具有较强的机械性能。

印制板组件上的BGA主要焊接方式为再流焊，通过再流炉的加热系统生成高温度的热风将元器件焊接部位的焊料融化后与印制板焊盘连接。

无铅钎料及其焊点的过冷凝固行为和界面反应研究1. 引言1.1 研究背景目前的研究主要集中在无铅钎料的选择和应用方面，对其焊接过程中的过冷凝固行为和界面反应的研究还较少。

过冷凝固行为是影响焊接质量的重要因素之一，而界面反应则可能对焊点性能产生重要影响。

对无铅钎料及其焊点的过冷凝固行为和界面反应进行深入研究，有助于提高无铅钎料的焊接质量和可靠性。

本研究旨在通过对无铅钎料及其焊点的过冷凝固行为和界面反应进行系统研究，探讨控制过冷凝固行为和界面反应的方法，为无铅钎料的应用提供更为科学的理论依据和实际指导。

1.2 研究目的本研究旨在探究无铅钎料及其焊点的过冷凝固行为和界面反应，通过深入分析无铅钎料的特点、过冷凝固行为和界面反应的特性，以及探讨控制这些行为和反应的方法，为提高焊接质量、增强焊接强度和稳定性提供理论支持和实践指导。

通过研究，我们希望可以揭示无铅钎料在焊接过程中的变化规律，从而为工程实践中的焊接工艺优化和生产应用提供科学依据。

我们也将关注未来研究方向，为相关领域的学术研究和工程应用提出新的思路和挑战，推动无铅钎料及其焊点的研究和发展。

2. 正文2.1 无铅钎料的特点无铅钎料是一种环保型的钎料，其主要成分为银、铜、锡等金属元素，不含有对环境和人体有害的铅元素。

无铅钎料具有良好的焊接性能，可以在较低的温度下实现高质量的焊接效果。

无铅钎料还具有良好的电导率和热导率，使其在电子元件的焊接中得到广泛应用。

相比传统的含铅钎料，无铅钎料在焊接过程中具有更低的熔点和更好的润湿性，能够减少焊接过程中对焊件的热影响，从而降低焊接过程中产生的应力和变形，提高焊接接头的可靠性和稳定性。

无铅钎料还能有效避免由铅元素引起的环境污染和对人体健康的危害，符合现代社会对环保和健康的要求。

无铅钎料具有更好的环保性能、焊接性能和机械性能，是未来发展的趋势之一。

在电子、通讯、航空航天等领域的焊接应用中，无铅钎料将会得到更广泛的应用和推广。

氮气保护对无铅再流焊焊点外观质量的影响史建卫1,，梁永君，王洪平日东电子科技(深圳)有限公司，广东，深圳，518103摘要：由于无铅钎料润湿性较差，在实际生产中普遍采用氮气保护。

本文制定了氮气保护无铅再流焊工艺，对焊点外观质量进行了统计分析。

试验结果显示：氮气保护可以减少元件偏移和桥连等缺陷，对竖碑、焊球和锡珠等缺陷也有一定影响。

关键词：氮气保护，无铅再流焊，焊点质量，元件偏移，空洞Nitrogen Protection’s Effect on Solder Joint Appearancein Lead-free Reflow SolderingShi Jianwei1, Liang Yongjun, Wang HongpingSun East Electronic Technology (Shen Zhen) Company Lt.d, 518103Abstract: Nitrogen Protection is used in practical industry because of poor wettability of lead-free solder. This work does the process of lead-free reflow soldering under N2 protection, and the solder joint quality has been analyzed statistically. From this report, it has been known that using N2 Protection can decrease the defects of component displacement and solder bridging, also have an effect on other defects such as tombstone, solder ball and solder bearing, and so on.Key Words: Nitrogen Protection, Lead-free Reflow Soldering, Solder Joint Quality, Component Displacement, Solder Void无铅再流焊生产工艺中，通常采用氮气保护来改善钎料的润湿性以提高焊点质量。