本書以工程應用為目標，聚焦基本概念與原理、表面組裝核心工藝、主要組裝工藝問題及最新應用問題，介紹了焊接的基礎原理與概念、表面組裝的核心工藝與常見不良現象，以及組裝工藝帶來的可靠性問題。
由中興公司首席工藝專家精心打造。精選45個典型案例，聚焦工程應用，圖文并茂，全彩印刷，是SMT一線工程師必備參考書。
忠中的這本書給我帶來了很大的驚喜。
本書的前半部著重點在SMT不良工藝的成因及解決方法。在進入實際的工藝問題前，忠中很系統地介紹了SMT 的工藝基礎，包括SMT 的組裝基礎知識、焊接基礎及焊接材料本身，以及助焊劑及焊膏。除此之外，還介紹了跟焊接緊密相關的PCB 表面鍍層工藝及元件表面鍍層工藝。這些背景資料的鋪墊，為接下來的不良工藝的討論提供了必要的基礎知識。
不良工藝的成因及解決方法，可是本書的“大菜”。它包括了焊膏印刷及相關的鋼板設計、再流焊、波峰焊及返修這幾個主要環節。忠中詳細地介紹了各環節常見的不良種類，討論了它們的成因及解決辦法，還包括了對特定封裝所遭遇問題的解決方法。在討論成因時，忠中展示了深厚的功力，對問題的解決辦法則提供了周詳的選擇。
再接下來的下半部是更精彩的可靠性的論述。在這部分忠中著重介紹了可靠性的概念及評估方法，以及其用在焊點上所表現出的特質。隨后忠中重點討論了組裝應力失效、溫循疲勞失效、環境因素影響及錫須等現象。
在組裝應力部分，著重討論了三種常見的元件，包括應力敏感封裝、片式電容及BGA；在溫度循環失效部分，以深入淺出的方式向讀者說明了基本的失效機理；而在環境失效方面，則詳細介紹了四個主要的失效模式，這對讀者是一個很大的幫助。
在錫須方面，忠中做了相當深入的討論；對于控制錫須的生長，則給出了極其實用的建議。
綜觀全書，固然脈絡分明、析理深入，但讓我最感驚喜的還是極其豐富的實例。忠中以其在業界數十年的經驗，實例信手拈來，包括材料、設計、組裝及應用，將理論與實際緊密、生動地結合起來，在工業界實難一見。
我覺得此書不僅可以在生產線上作為工程師的隨身參考書，更可以作為教材在課堂上傳諸莘莘學子！
李寧成 博士
2019年3月25日
前言
表面組裝技術（SMT）的發展，如果從彩色電視機調諧器的廣泛應用作為起點算起，已經有30年以上的歷史了，但是，其發展仍然日新月異，每隔半年，我們都會看到新的材料、新的封裝或新的工藝出現。技術的進步遠比我們解決問題的步伐要快，舊的問題還沒有完全解決，新的問題又出現了，挑戰不斷，這就是表面組裝技術的魅力，也是作者寫作此書的動力。
本書是寫給那些在生產一線忙碌的工程師的，以核心工藝為綱、工程實戰經驗為目來組織材料。內容上聚焦工程應用主題，突出基本概念與原理、核心工藝、主要組裝問題及最新應用，希望能夠為讀者提供全新視角、接地氣的SMT應用工程知識。同時，也探討了一些新出現的工藝問題，如ENIG表面處理Ni氧化現象，這部分內容帶有一點學術性質，分析不一定完全正確，僅供參考。
表面組裝過程中出現的不良現象很多，但是，對焊接質量影響比較大的主要是印刷的少印（少錫）、漏印，再流焊接的橋連、開路、焊點應力開裂，波峰焊接的橋連與透錫不良等。統計數據表明，只要解決了這些問題，就等于解決了90%以上的組裝不良問題。這些組裝不良現象之所以難以有效地管控，主要是這些問題不全是現場工藝問題，往往與元器件的封裝、PCB的設計、焊膏的選用與模板的設計等很多因素有關，如波峰焊的透錫問題，很大程度上是一個設計問題。要解決這些問題，需要從產生問題的根本原因去解決。
本書寫作風格延續了本人作品一貫的“圖文并茂”的特點。現代社會，生活節奏很快，讀圖比讀文字更加高效與有趣，希望讀者在快樂中學習。寫作上力求簡明、實用，使讀者入得門、看得懂，結論性的論述做到有言必有據，經驗性的論述做到背后有案例支持。希望能夠為讀者提供適用、實用、管用的電子制造知識。
本書聚焦三部分內容：工藝基礎、工藝原理與不良及組裝可靠性。
工藝基礎部分：主要介紹表面組裝技術（SMT）的概念、工藝流程與核心；軟釬焊的基本原理——加熱、潤濕、擴散和界面反應，以及潤濕、界面反應、可焊性等重要概念；焊點的微觀組織與機械性能、焊料合金組分和工藝條件的關系；焊點焊接與元器件焊接的異同，這是理解SMT工藝原理、優化生產工藝條件的依據與基礎。這部分內容是電子制造工程師必須了解的知識。
工藝原理與不良部分，主要介紹SMT主要工藝輔料、核心工藝的原理與常見的工藝不良現象及產生的原因，包括：①焊膏、焊劑；②模板設計；③焊膏印刷原理與常見不良現象及產生原因；④再流焊接、波峰焊接原理與常見不良現象及產生原因。這部分內容是電子制造工程師必須掌握的知識。
組裝可靠性部分，重點介紹組裝過程中產生的、有潛在可靠性風險的組裝不良問題，諸如應力引發的焊點開裂、焊劑引發的絕緣下降等，聚焦板級互聯的工藝失效，如焊點開裂、絕緣性能下降、腐蝕失效。
電子組件焊接的內涵，歸根到底就是一個“特”字。不同的封裝結構，工藝特性不同；不同的焊點結構，焊料的熔化順序與流動過程不同，等等。這些“特”決定了模板開口的圖形形狀與尺寸、焊膏量的大小及溫度曲線形狀設計，也即每個封裝的焊接工藝都是獨特的。只有理解了這點，才可稱之為“入了門、摸到了邊”，希望讀者閱讀本書時始終思考“特”這樣一個內涵。
本書采用了45個案例來強化對工藝原理的理解，這些案例及實物圖均具有工藝的典型性，對于理解工藝的原理有很大的幫助。這些案例是本書的“亮點”，也是價值所在。
讀完本書，希望讀者能夠了解以下五點：
（1）焊點的焊接與封裝的焊接有很大的不同，封裝的焊接必須考慮封裝本身的結構、焊點的結構、焊點的微觀形成過程——焊料的熔化順序、流向與流動過程及封裝的變形。
（2）SMT的核心是工藝，工藝的核心是焊膏印刷，印刷工藝的核心是支撐和擦網（有人把支撐和擦網稱為工藝中的工藝）。影響焊膏印刷的因素包括但不限于焊膏黏度與觸變性、模板、PCB的設計（布局與阻焊）、印刷參數、印刷支撐與擦網。
（3）SMT焊接不良主要與焊膏用量有關，焊盤大小決定其相關性的大小即敏感度，與微焊盤、下錫性能相關聯。
（4）焊點微觀組織決定焊點機械性能，焊料合金的成分與工藝條件決定焊點的微觀組織。對焊點可靠性而言，界面微觀組織是主要的影響因素。對于高可靠性產品，需要關注界面金屬間化合物形貌與尺寸（如連續層厚度、IMC高寬比等）。
（5）工藝技術是一門工程技術，往往先有實踐后有理論，因此，在解決實際生產中疑難工藝問題時，如果無從下手，“試”是一個比較有效的方法——換元件、換焊膏、調參數，通過“試”，往往能夠找到解決問題的方向或思路。必須意識到，業界仍然有很多的工藝疑難問題，機理不是很清楚，但這不妨礙我們解決這些問題，只要了解這些問題發生的場景，就可以避免再次發生同樣的問題。
本書部分機理性解析是基于本人的工程實踐，不一定正確，不當之處敬請批評指正，反饋郵箱：1079585920@qq.com。
李寧成（Ning-Cheng Lee）博士是一位在SMT業界享有很高聲望的頂級專家，對電子焊接技術有非常系統、全面和深入的研究，對SMT的發展有諸多貢獻，參與和主導了多份IPC標準的編制。他在百忙之中審閱了本書的原稿，并提出了很好的建議，同時為本書題寫了序言，在此深表感謝。還需要說明的是，本書焊膏和再流焊接與常見不良兩章，部分參考了李寧成博士所著《再流焊接工藝及缺陷診斷》一書有關內容，再次表示感謝。
還要感謝東莞市凱格精密機械有限公司的大力支持，使得本書能以全彩的形式呈現給讀者。在此特別感謝邱國良董事長和劉勇軍總經理的支持。
我的同事，中興通訊工藝專家劉哲、邱華盛、王玉、孫磊閱讀了本書初稿并提出了很多很好的建議，在此深表感謝！
賈忠中
2018年10月于深圳
賈忠中，高級工程師，先后供職于中國電子集團工藝研究所、中興通訊股份有限公司，從事電子制造工藝研究與管理工作近30年。在中興通訊股份有限公司工作也超過20年，見證并參與了中興工藝的發展歷程，歷任工藝研究部部長、副總工藝師、總工藝師、首席工藝專家。擔任廣東電子學會SMT專委會副主任委員、中國電子學會委員。對SMT、可制造性設計、失效分析、焊接可靠性有深入、系統的研究，擅長組裝不良分析、焊點失效分析。出版了《SMT工藝質量控制》《SMT核心工藝解析與案例分析》《SMT可制造性設計》等專著。
第一部分 工藝基礎 1
第1章 概述 3
1．1 電子組裝技術的發展 3
1．2 表面組裝技術 4
1．2．1 元器件封裝形式的發展 4
1．2．2 印制電路板技術的發展 5
1．2．3 表面組裝技術的發展 6
1．3 表面組裝基本工藝流程 7
1．3．1 再流焊接工藝流程 7
1．3．2 波峰焊接工藝流程 7
1．4 表面組裝方式與工藝路徑 8
1．5 表面組裝技術的核心與關鍵點 9
1．6 表面組裝元器件的焊接 10
案例1 QFN的橋連 11
案例2 BGA的球窩與開焊 11
1．7 表面組裝技術知識體系 12
第2章 焊接基礎 14
2．1 軟釬焊工藝 14
2．2 焊點與焊錫材料 14
2．3 焊點形成過程及影響因素 15
2．4 潤濕 16
2．4．1 焊料的表面張力 17
2．4．2 焊接溫度 18
2．4．3 焊料合金元素與添加量 18
2．4．4 金屬在熔融Sn合金中的溶解率 19
2．4．5 金屬間化合物 20
2．5 相位圖和焊接 23
2．6 表面張力 24
2．6．1 表面張力概述 24
2．6．2 表面張力起因 26
2．6．3 表面張力對液態焊料表面外形的影響 26
2．6．4 表面張力對焊點形成過程的影響 26
案例3 片式元件再流焊接時焊點的形成過程 26
案例4 BGA再流焊接時焊點的形成過程 27
2．7 助焊劑在焊接過程中的作用行為 28
2．7．1 再流焊接工藝中助焊劑的作用行為 28
2．7．2 波峰焊接工藝中助焊劑的作用行為 29
案例5 OSP板采用水基助焊劑波峰焊時漏焊 29
2．8 可焊性 30
2．8．1 可焊性概述 30
2．8．2 影響可焊性的因素 30
2．8．3 可焊性測試方法 32
2．8．4 潤濕稱量法 33
2．8．5 浸漬法 35
2．8．6 鋪展法 35
2．8．7 老化 36
第3章 焊料合金、微觀組織與性能 37
3．1 常用焊料合金 37
3．1．1 Sn-Ag合金 37
3．1．2 Sn-Cu合金 38
3．1．3 Sn-Bi合金 39
3．1．4 Sn-Sb合金 39
3．1．5 提高焊點可靠性的途徑 40
3．1．6 無鉛合金中常用添加合金元素的作用 40
3．2 焊點的微觀結構與影響因素 42
3．2．1 組成元素 42
3．2．2 工藝條件 44
3．3 焊點的微觀結構與機械性能 44
3．3．1 焊點（焊料合金）的金相組織 45
3．3．2 焊接界面金屬間化合物 46
3．3．3 不良的微觀組織 50
3．4 無鉛焊料合金的表面形貌 61
第二部分 工藝原理與不良 63
第4章 助焊劑 65
4．1 助焊劑的發展歷程 65
4．2 液態助焊劑的分類標準與代碼 66
4．3 液態助焊劑的組成、功能與常用類別 68
4．3．1 組成 68
4．3．2 功能 69
4．3．3 常用類別 70
4．4 液態助焊劑的技術指標與檢測 71
4．5 助焊劑的選型評估 75
4．5．1 橋連缺陷率 75
4．5．2 通孔透錫率 76
4．5．3 焊盤上錫飽滿度 76
4．5．4 焊后PCB表面潔凈度 77
4．5．5 ICT測試直通率 78
4．5．6 助焊劑的多元化 78
4．6 白色殘留物 79
4．6．1 焊劑中的松香 80
4．6．2 松香變形物 81
4．6．3 有機金屬鹽 81
4．6．4 無機金屬鹽 81
第5章 焊膏 83
5．1 焊膏及組成 83
5．2 助焊劑的組成與功能 84
5．2．1 樹脂 84
5．2．2 活化劑 85
5．2．3 溶劑 87
5．2．4 流變添加劑 88
5．2．5 焊膏配方設計的工藝性考慮 89
5．3 焊粉 89
5．4 助焊反應 90
5．4．1 酸基反應 90
5．4．2 氧化-還原反應 91
5．5 焊膏流變性要求 91
5．5．1 黏度及測量 91
5．5．2 流體的流變特性 92
5．5．3 影響焊膏流變性的因素 94
5．6 焊膏的性能評估與選型 96
5．7 焊膏的儲存與應用 100
5．7．1 儲存、解凍與攪拌 100
5．7．2 使用時間與再使用注意事項 101
5．7．3 常見不良 101
第6章 PCB表面鍍層及工藝特性 106
6．1 ENIG鍍層 106
6．1．1 工藝特性 106
6．1．2 應用問題 107
6．2 Im-Sn鍍層 108
6．2．1 工藝特性 109
6．2．2 應用問題 109
案例6 鍍Sn層薄導致虛焊 109
6．3 Im-Ag鍍層 112
6．3．1 工藝特性 112
6．3．2 應用問題 113
6．4 OSP膜 114
6．4．1 OSP膜及其發展歷程 114
6．4．2 OSP工藝 115
6．4．3 銅面氧化來源與影響 115
6．4．4 氧化層的形成程度與通孔爬錫能力 117
6．4．5 OSP膜的優勢與劣勢 119
6．4．6 應用問題 119
6．5 無鉛噴錫 119
6．5．1 工藝特性 120
6．5．2 應用問題 122
6．6 無鉛表面耐焊接性對比 122
第7章 元器件引腳/焊端鍍層及工藝性 124
7．1 表面組裝元器件封裝類別 124
7．2 電極鍍層結構 125
7．3 Chip類封裝 126
7．4 SOP/QFP類封裝 127
7．5 BGA類封裝 127
7．6 QFN類封裝 127
7．7 插件類封裝 128
第8章 焊膏印刷與常見不良 129
8．1 焊膏印刷 129
8．2 印刷原理 129
8．3 影響焊膏印刷的因素 130
8．3．1 焊膏性能 130
8．3．2 模板因素 133
8．3．3 印刷參數 134
8．3．4 擦網/底部擦洗 137
8．3．5 PCB支撐 140
8．3．6 實際生產中影響焊膏填充與轉移的其他因素 141
8．4 常見印刷不良現象及原因 143
8．4．1 印刷不良現象 143
8．4．2 印刷厚度不良 143
8．4．3 污斑/邊緣擠出 145
8．4．4 少錫與漏印 146
8．4．5 拉尖/狗耳朵 148
8．4．6 塌陷 148
8．5 SPI應用探討 151
8．5．1 焊膏印刷不良對焊接質量的影響 151
8．5．2 焊膏印刷圖形可接受條件 152
8．5．3 0．4mm間距CSP 153
8．5．4 0．4mm間距QFP 154
8．5．5 0．4～0．5mm間距QFN 155
8．5．6 0201 155
第9章 鋼網設計與常見不良 157
9．1 鋼網 157
9．2 鋼網制造要求 160
9．3 模板開口設計基本要求 161
9．3．1 面積比 161
9．3．2 階梯模板 162
9．4 模板開口設計 163
9．4．1 通用原則 163
9．4．2 片式元件 165
9．4．3 QFP 165
9．4．4 BGA 166
9．4．5 QFN 166
9．5 常見的不良開口設計 168
9．5．1 模板設計的主要問題 168
案例7 模板避孔距離不夠導致散熱焊盤少錫 169
案例8 焊盤寬、引腳窄導致SIM卡移位 170
案例9 熔融焊錫漂浮導致變壓器移位 170
案例10 防錫珠開孔導致圓柱形二極管爐后飛料問題 171
9．5．2 模板開窗在改善焊接良率方面的應用 171
案例11 兼顧開焊與橋連的葫蘆形開窗設計 171
案例12 電解電容底座鼓包導致移位 173
案例13 超薄BGA變形導致橋連與球窩 174
第10章 再流焊接與常見不良 175
10．1 再流焊接 175
10．2 再流焊接工藝的發展歷程 175
10．3 熱風再流焊接技術 176
10．4 熱風再流焊接加熱特性 177
10．5 溫度曲線 178
10．5．1 溫度曲線的形狀 179
10．5．2 溫度曲線主要參數與設置要求 180
10．5．3 爐溫設置與溫度曲線測試 186
10．5．4 再流焊接曲線優化 189
10．6 低溫焊料焊接SAC錫球的BGA混裝再流焊接工藝 191
10．6．1 有鉛焊料焊接無鉛BGA的混裝工藝 192
10．6．2 低溫焊料焊接SAC錫球的混裝再流焊接工藝 196
10．7 常見焊接不良 197
10．7．1 冷焊 197
10．7．2 不潤濕 199
案例14 連接器引腳潤濕不良現象 200
案例15 沉錫板焊盤不上錫現象 201
10．7．3 半潤濕 202
10．7．4 滲析 203
10．7．5 立碑 204
10．7．6 偏移 207
案例16 限位導致手機電池連接器偏移 207
案例17 元器件安裝底部噴出的熱氣流導致元器件偏移 208
案例18 元器件焊盤比引腳寬導致元器件偏移 208
案例19 片式元件底部有半塞導通孔導致偏移 209
案例20 不對稱焊端容易導致偏移 209
10．7．7 芯吸 210
10．7．8 橋連 212
案例21 0．4mm QFP橋連 212
案例22 0．4mm間距CSP（也稱?BGA）橋連 213
案例23 鉚接錫塊表貼連接器橋連 214
10．7．9 空洞 216
案例24 BGA焊球表面氧化等導致空洞形成 218
案例25 焊盤上的樹脂填孔吸潮導致空洞形成 219
案例26 HDI微盲孔導致BGA焊點空洞形成 219
案例27 焊膏不足導致空洞產生 220
案例28 排氣通道不暢導致空洞產生 220
案例29 噴印焊膏導致空洞產生 221
案例30 QFP引腳表面污染導致空洞產生 221
10．7．10 開路 222
10．7．11 錫球 223
10．7．12 錫珠 226
10．7．13 飛濺物 229
10．8 不同工藝條件下用63Sn/37Pb焊接SAC305 BGA的切片圖 230
第11章 特定封裝的焊接與常見不良 232
11．1 封裝焊接 232
11．2 SOP/QFP 232
11．2．1 橋連 232
案例31 某板上一個0．4mm間距QFP橋連率達到75% 234
案例32 QFP焊盤加工尺寸偏窄導致橋連率增加 235
11．2．2 虛焊 235
11．3 QFN 236
11．3．1 QFN封裝與工藝特點 236
11．3．2 虛焊 238
11．3．3 橋連 240
11．3．4 空洞 241
11．4 BGA 244
11．4．1 BGA封裝類別與工藝特點 244
11．4．2 無潤濕開焊 245
11．4．3 球窩焊點 246
11．4．4 縮錫斷裂 248
11．4．5 二次焊開裂 249
11．4．6 應力斷裂 250
11．4．7 坑裂 251
11．4．8 塊狀IMC斷裂 252
11．4．9 熱循環疲勞斷裂 253
第12章 波峰焊接與常見不良 256
12．1 波峰焊接 256
12．2 波峰焊接設備的組成及功能 256
12．3 波峰焊接設備的選擇 257
12．4 波峰焊接工藝參數設置與溫度曲線的測量 257
12．4．1 工藝參數 258
12．4．2 工藝參數設置要求 258
12．4．3 波峰焊接溫度曲線測量 258
12．5 助焊劑在波峰焊接工藝過程中的行為 259
12．6 波峰焊接焊點的要求 260
12．7 波峰焊接常見不良 262
12．7．1 橋連 262
12．7．2 透錫不足 265
12．7．3 錫珠 266
12．7．4 漏焊 268
12．7．5 尖狀物 269
12．7．6 氣孔―吹氣孔/針孔 269
12．7．7 孔填充不良 270
12．7．8 板面臟 271
12．7．9 元器件浮起 271
案例33 連接器浮起 272
12．7．10 焊點剝離 272
12．7．11 焊盤剝離 273
12．7．12 凝固開裂 274
12．7．13 引線潤濕不良 275
12．7．14 焊盤潤濕不良 275
第13章 返工與手工焊接常見不良 276
13．1 返工工藝目標 276
13．2 返工程序 276
13．2．1 元器件拆除 276
13．2．2 焊盤整理 277
13．2．3 元器件安裝 277
13．2．4 工藝的選擇 277
13．3 常用返工設備/工具與工藝特點 278
13．3．1 烙鐵 278
13．3．2 熱風返修工作站 279
13．3．3 吸錫器 281
13．4 常見返修失效案例 282
案例34 采用加焊劑方式對虛焊的QFN進行重焊導致返工失敗 282
案例35 采用加焊劑方式對虛焊的BGA進行重焊導致BGA中心焊點斷裂 282
案例36 風槍返修導致周邊鄰近帶散熱器的BGA焊點開裂 283
案例37 返修時加熱速率太大導致BGA角部焊點橋連 284
案例38 手工焊接大尺寸片式電容導致開裂 284
案例39 手工焊接插件導致相連片式電容失效 285
案例40 手工焊接大熱容量插件時長時間加熱導致PCB分層 285
案例41 采用銅辮子返修細間距元器件容易發生微橋連現象 286
第三部分 組裝可靠性 289
第14章 可靠性概念 291
14．1 可靠性定義 291
14．1．1 可靠度 291
14．1．2 MTBF與MTTF 291
14．1．3 故障率 292
14．2 影響電子產品可靠性的因素 293
14．2．1 常見設計不良 293
14．2．2 制造影響因素 294
14．2．3 使用時的劣化因素 295
14．3 常用的可靠性試驗評估方法―溫度循環試驗 296
第15章 完整焊點要求 298
15．1 組裝可靠性 298
15．2 完整焊點 298
15．3 常見不完整焊點 298
第16章 組裝應力失效 304
16．1 應力敏感封裝 304
16．2 片式電容 304
16．2．1 分板作業 304
16．2．2 烙鐵焊接 306
16．3 BGA 307
第17章 使用中溫度循環疲勞失效 308
17．1 高溫環境下的劣化 308
17．1．1 高溫下金屬的擴散 308
17．1．2 界面劣化 309
17．2 蠕變 309
17．3 機械疲勞與溫度循環 310
案例42 拉應力疊加時的熱疲勞斷裂 310
案例43 某模塊灌封工藝失控導致焊點受到拉應力作用 310
案例44 灌封膠與PCB的CTE不匹配導致焊點早期疲勞失效（開裂） 312
第18章 環境因素引起的失效 313
18．1 環境引起的失效 313
18．1．1 電化學腐蝕 313
18．1．2 化學腐蝕 315
18．2 CAF 316
18．3 銀遷移 317
18．4 硫化腐蝕 318
18．5 爬行腐蝕 318
第19章 錫須 321
19．1 錫須概述 321
19．2 錫須產生的原因 322
19．3 錫須產生的五種基本場景 323
19．4 室溫下錫須的生長 324
19．5 溫度循環（熱沖擊）作用下錫須的生長 325
19．6 氧化腐蝕引起的錫須生長 326
案例45 某產品單板上的輕觸開關因錫須短路 327
19．7 外界壓力作用下的錫須生長 327
19．8 控制錫須生長的建議 328
后記 330
參考文獻 331
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