本书以工程应用为目标，聚焦基本概念与原理、表面组装核心工艺、主要组装工艺问题及最新应用问题，介绍了焊接的基础原理与概念、表面组装的核心工艺与常见不良现象，以及组装工艺带来的可靠性问题。

由中兴公司首席工艺专家精心打造。精选45个典型案例，聚焦工程应用，图文并茂，全彩印刷，是SMT一线工程师必备参考书。

忠中的这本书给我带来了很大的惊喜。
本书的前半部着重点在SMT不良工艺的成因及解决方法。在进入实际的工艺问题前，忠中很系统地介绍了SMT 的工艺基础，包括SMT 的组装基础知识、焊接基础及焊接材料本身，以及助焊剂及焊膏。除此之外，还介绍了跟焊接紧密相关的PCB 表面镀层工艺及元件表面镀层工艺。这些背景资料的铺垫，为接下来的不良工艺的讨论提供了必要的基础知识。
不良工艺的成因及解决方法，可是本书的“大菜”。它包括了焊膏印刷及相关的钢板设计、再流焊、波峰焊及返修这几个主要环节。忠中详细地介绍了各环节常见的不良种类，讨论了它们的成因及解决办法，还包括了对特定封装所遭遇问题的解决方法。在讨论成因时，忠中展示了深厚的功力，对问题的解决办法则提供了周详的选择。
再接下来的下半部是更精彩的可靠性的论述。在这部分忠中着重介绍了可靠性的概念及评估方法，以及其用在焊点上所表现出的特质。随后忠中重点讨论了组装应力失效、温循疲劳失效、环境因素影响及锡须等现象。
在组装应力部分，着重讨论了三种常见的元件，包括应力敏感封装、片式电容及BGA；在温度循环失效部分，以深入浅出的方式向读者说明了基本的失效机理；而在环境失效方面，则详细介绍了四个主要的失效模式，这对读者是一个很大的帮助。
在锡须方面，忠中做了相当深入的讨论；对于控制锡须的生长，则给出了极其实用的建议。
综观全书，固然脉络分明、析理深入，但让我最感惊喜的还是极其丰富的实例。忠中以其在业界数十年的经验，实例信手拈来，包括材料、设计、组装及应用，将理论与实际紧密、生动地结合起来，在工业界实难一见。
我觉得此书不仅可以在生产线上作为工程师的随身参考书，更可以作为教材在课堂上传诸莘莘学子！


李宁成 博士
2019年3月25日
前言
表面组装技术（SMT）的发展，如果从彩色电视机调谐器的广泛应用作为起点算起，已经有30年以上的历史了，但是，其发展仍然日新月异，每隔半年，我们都会看到新的材料、新的封装或新的工艺出现。技术的进步远比我们解决问题的步伐要快，旧的问题还没有完全解决，新的问题又出现了，挑战不断，这就是表面组装技术的魅力，也是作者写作此书的动力。
本书是写给那些在生产一线忙碌的工程师的，以核心工艺为纲、工程实战经验为目来组织材料。内容上聚焦工程应用主题，突出基本概念与原理、核心工艺、主要组装问题及最新应用，希望能够为读者提供全新视角、接地气的SMT应用工程知识。同时，也探讨了一些新出现的工艺问题，如ENIG表面处理Ni氧化现象，这部分内容带有一点学术性质，分析不一定完全正确，仅供参考。
表面组装过程中出现的不良现象很多，但是，对焊接质量影响比较大的主要是印刷的少印（少锡）、漏印，再流焊接的桥连、开路、焊点应力开裂，波峰焊接的桥连与透锡不良等。统计数据表明，只要解决了这些问题，就等于解决了90%以上的组装不良问题。这些组装不良现象之所以难以有效地管控，主要是这些问题不全是现场工艺问题，往往与元器件的封装、PCB的设计、焊膏的选用与模板的设计等很多因素有关，如波峰焊的透锡问题，很大程度上是一个设计问题。要解决这些问题，需要从产生问题的根本原因去解决。
本书写作风格延续了本人作品一贯的“图文并茂”的特点。现代社会，生活节奏很快，读图比读文字更加高效与有趣，希望读者在快乐中学习。写作上力求简明、实用，使读者入得门、看得懂，结论性的论述做到有言必有据，经验性的论述做到背后有案例支持。希望能够为读者提供适用、实用、管用的电子制造知识。
本书聚焦三部分内容：工艺基础、工艺原理与不良及组装可靠性。
工艺基础部分：主要介绍表面组装技术（SMT）的概念、工艺流程与核心；软钎焊的基本原理——加热、润湿、扩散和界面反应，以及润湿、界面反应、可焊性等重要概念；焊点的微观组织与机械性能、焊料合金组分和工艺条件的关系；焊点焊接与元器件焊接的异同，这是理解SMT工艺原理、优化生产工艺条件的依据与基础。这部分内容是电子制造工程师必须了解的知识。
工艺原理与不良部分，主要介绍SMT主要工艺辅料、核心工艺的原理与常见的工艺不良现象及产生的原因，包括：①焊膏、焊剂；②模板设计；③焊膏印刷原理与常见不良现象及产生原因；④再流焊接、波峰焊接原理与常见不良现象及产生原因。这部分内容是电子制造工程师必须掌握的知识。
组装可靠性部分，重点介绍组装过程中产生的、有潜在可靠性风险的组装不良问题，诸如应力引发的焊点开裂、焊剂引发的绝缘下降等，聚焦板级互联的工艺失效，如焊点开裂、绝缘性能下降、腐蚀失效。
电子组件焊接的内涵，归根到底就是一个“特”字。不同的封装结构，工艺特性不同；不同的焊点结构，焊料的熔化顺序与流动过程不同，等等。这些“特”决定了模板开口的图形形状与尺寸、焊膏量的大小及温度曲线形状设计，也即每个封装的焊接工艺都是独特的。只有理解了这点，才可称之为“入了门、摸到了边”，希望读者阅读本书时始终思考“特”这样一个内涵。
本书采用了45个案例来强化对工艺原理的理解，这些案例及实物图均具有工艺的典型性，对于理解工艺的原理有很大的帮助。这些案例是本书的“亮点”，也是价值所在。
读完本书，希望读者能够了解以下五点：
（1）焊点的焊接与封装的焊接有很大的不同，封装的焊接必须考虑封装本身的结构、焊点的结构、焊点的微观形成过程——焊料的熔化顺序、流向与流动过程及封装的变形。
（2）SMT的核心是工艺，工艺的核心是焊膏印刷，印刷工艺的核心是支撑和擦网（有人把支撑和擦网称为工艺中的工艺）。影响焊膏印刷的因素包括但不限于焊膏黏度与触变性、模板、PCB的设计（布局与阻焊）、印刷参数、印刷支撑与擦网。
（3）SMT焊接不良主要与焊膏用量有关，焊盘大小决定其相关性的大小即敏感度，与微焊盘、下锡性能相关联。
（4）焊点微观组织决定焊点机械性能，焊料合金的成分与工艺条件决定焊点的微观组织。对焊点可靠性而言，界面微观组织是主要的影响因素。对于高可靠性产品，需要关注界面金属间化合物形貌与尺寸（如连续层厚度、IMC高宽比等）。
（5）工艺技术是一门工程技术，往往先有实践后有理论，因此，在解决实际生产中疑难工艺问题时，如果无从下手，“试”是一个比较有效的方法——换元件、换焊膏、调参数，通过“试”，往往能够找到解决问题的方向或思路。必须意识到，业界仍然有很多的工艺疑难问题，机理不是很清楚，但这不妨碍我们解决这些问题，只要了解这些问题发生的场景，就可以避免再次发生同样的问题。
本书部分机理性解析是基于本人的工程实践，不一定正确，不当之处敬请批评指正，反馈邮箱：1079585920@qq.com。
李宁成（Ning-Cheng Lee）博士是一位在SMT业界享有很高声望的顶级专家，对电子焊接技术有非常系统、全面和深入的研究，对SMT的发展有诸多贡献，参与和主导了多份IPC标准的编制。他在百忙之中审阅了本书的原稿，并提出了很好的建议，同时为本书题写了序言，在此深表感谢。还需要说明的是，本书焊膏和再流焊接与常见不良两章，部分参考了李宁成博士所著《再流焊接工艺及缺陷诊断》一书有关内容，再次表示感谢。
还要感谢东莞市凯格精密机械有限公司的大力支持，使得本书能以全彩的形式呈现给读者。在此特别感谢邱国良董事长和刘勇军总经理的支持。
我的同事，中兴通讯工艺专家刘哲、邱华盛、王玉、孙磊阅读了本书初稿并提出了很多很好的建议，在此深表感谢！
贾忠中
2018年10月于深圳

贾忠中，高级工程师，先后供职于中国电子集团工艺研究所、中兴通讯股份有限公司，从事电子制造工艺研究与管理工作近30年。在中兴通讯股份有限公司工作也超过20年，见证并参与了中兴工艺的发展历程，历任工艺研究部部长、副总工艺师、总工艺师、首席工艺专家。担任广东电子学会SMT专委会副主任委员、中国电子学会委员。对SMT、可制造性设计、失效分析、焊接可靠性有深入、系统的研究，擅长组装不良分析、焊点失效分析。出版了《SMT工艺质量控制》《SMT核心工艺解析与案例分析》《SMT可制造性设计》等专著。

第一部分 工艺基础 1
第1章 概述 3
1．1 电子组装技术的发展 3
1．2 表面组装技术 4
1．2．1 元器件封装形式的发展 4
1．2．2 印制电路板技术的发展 5
1．2．3 表面组装技术的发展 6
1．3 表面组装基本工艺流程 7
1．3．1 再流焊接工艺流程 7
1．3．2 波峰焊接工艺流程 7
1．4 表面组装方式与工艺路径 8
1．5 表面组装技术的核心与关键点 9
1．6 表面组装元器件的焊接 10
案例1　QFN的桥连 11
案例2　BGA的球窝与开焊 11
1．7 表面组装技术知识体系 12
第2章 焊接基础 14
2．1 软钎焊工艺 14
2．2 焊点与焊锡材料 14
2．3 焊点形成过程及影响因素 15
2．4 润湿 16
2．4．1 焊料的表面张力 17
2．4．2 焊接温度 18
2．4．3 焊料合金元素与添加量 18
2．4．4 金属在熔融Sn合金中的溶解率 19
2．4．5 金属间化合物 20
2．5 相位图和焊接 23
2．6 表面张力 24
2．6．1 表面张力概述 24
2．6．2 表面张力起因 26
2．6．3 表面张力对液态焊料表面外形的影响 26
2．6．4 表面张力对焊点形成过程的影响 26
案例3 片式元件再流焊接时焊点的形成过程 26
案例4 BGA再流焊接时焊点的形成过程 27
2．7 助焊剂在焊接过程中的作用行为 28
2．7．1 再流焊接工艺中助焊剂的作用行为 28
2．7．2 波峰焊接工艺中助焊剂的作用行为 29
案例5 OSP板采用水基助焊剂波峰焊时漏焊 29
2．8 可焊性 30
2．8．1 可焊性概述 30
2．8．2 影响可焊性的因素 30
2．8．3 可焊性测试方法 32
2．8．4 润湿称量法 33
2．8．5 浸渍法 35
2．8．6 铺展法 35
2．8．7 老化 36
第3章 焊料合金、微观组织与性能 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 提高焊点可靠性的途径 40
3．1．6 无铅合金中常用添加合金元素的作用 40
3．2 焊点的微观结构与影响因素 42
3．2．1 组成元素 42
3．2．2 工艺条件 44
3．3 焊点的微观结构与机械性能 44
3．3．1 焊点（焊料合金）的金相组织 45
3．3．2 焊接界面金属间化合物 46
3．3．3 不良的微观组织 50
3．4 无铅焊料合金的表面形貌 61
第二部分 工艺原理与不良 63
第4章 助焊剂 65
4．1 助焊剂的发展历程 65
4．2 液态助焊剂的分类标准与代码 66
4．3 液态助焊剂的组成、功能与常用类别 68
4．3．1 组成 68
4．3．2 功能 69
4．3．3 常用类别 70
4．4 液态助焊剂的技术指标与检测 71
4．5 助焊剂的选型评估 75
4．5．1 桥连缺陷率 75
4．5．2 通孔透锡率 76
4．5．3 焊盘上锡饱满度 76
4．5．4 焊后PCB表面洁净度 77
4．5．5 ICT测试直通率 78
4．5．6 助焊剂的多元化 78
4．6 白色残留物 79
4．6．1 焊剂中的松香 80
4．6．2 松香变形物 81
4．6．3 有机金属盐 81
4．6．4 无机金属盐 81
第5章 焊膏 83
5．1 焊膏及组成 83
5．2 助焊剂的组成与功能 84
5．2．1 树脂 84
5．2．2 活化剂 85
5．2．3 溶剂 87
5．2．4 流变添加剂 88
5．2．5 焊膏配方设计的工艺性考虑 89
5．3 焊粉 89
5．4 助焊反应 90
5．4．1 酸基反应 90
5．4．2 氧化-还原反应 91
5．5 焊膏流变性要求 91
5．5．1 黏度及测量 91
5．5．2 流体的流变特性 92
5．5．3 影响焊膏流变性的因素 94
5．6 焊膏的性能评估与选型 96
5．7 焊膏的储存与应用 100
5．7．1 储存、解冻与搅拌 100
5．7．2 使用时间与再使用注意事项 101
5．7．3 常见不良 101
第6章　PCB表面镀层及工艺特性 106
6．1 ENIG镀层 106
6．1．1　工艺特性 106
6．1．2　应用问题 107
6．2 Im-Sn镀层 108
6．2．1　工艺特性 109
6．2．2　应用问题 109
案例6　镀Sn层薄导致虚焊 109
6．3 Im-Ag镀层 112
6．3．1　工艺特性 112
6．3．2 应用问题 113
6．4　OSP膜 114
6．4．1　OSP膜及其发展历程 114
6．4．2　OSP工艺 115
6．4．3　铜面氧化来源与影响 115
6．4．4　氧化层的形成程度与通孔爬锡能力 117
6．4．5　OSP膜的优势与劣势 119
6．4．6　应用问题 119
6．5　无铅喷锡 119
6．5．1　工艺特性 120
6．5．2　应用问题 122
6．6　无铅表面耐焊接性对比 122
第7章　元器件引脚/焊端镀层及工艺性 124
7．1　表面组装元器件封装类别 124
7．2　电极镀层结构 125
7．3　Chip类封装 126
7．4　SOP/QFP类封装 127
7．5　BGA类封装 127
7．6　QFN类封装 127
7．7　插件类封装 128
第8章 焊膏印刷与常见不良 129
8．1 焊膏印刷 129
8．2 印刷原理 129
8．3 影响焊膏印刷的因素 130
8．3．1 焊膏性能 130
8．3．2 模板因素 133
8．3．3 印刷参数 134
8．3．4 擦网/底部擦洗 137
8．3．5 PCB支撑 140
8．3．6 实际生产中影响焊膏填充与转移的其他因素 141
8．4 常见印刷不良现象及原因 143
8．4．1 印刷不良现象 143
8．4．2 印刷厚度不良 143
8．4．3 污斑/边缘挤出 145
8．4．4 少锡与漏印 146
8．4．5 拉尖/狗耳朵 148
8．4．6 塌陷 148
8．5 SPI应用探讨 151
8．5．1 焊膏印刷不良对焊接质量的影响 151
8．5．2 焊膏印刷图形可接受条件 152
8．5．3 0．4mm间距CSP 153
8．5．4 0．4mm间距QFP 154
8．5．5 0．4～0．5mm间距QFN 155
8．5．6 0201 155
第9章 钢网设计与常见不良 157
9．1 钢网 157
9．2 钢网制造要求 160
9．3 模板开口设计基本要求 161
9．3．1 面积比 161
9．3．2 阶梯模板 162
9．4 模板开口设计 163
9．4．1 通用原则 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 常见的不良开口设计 168
9．5．1 模板设计的主要问题 168
案例7 模板避孔距离不够导致散热焊盘少锡 169
案例8 焊盘宽、引脚窄导致SIM卡移位 170
案例9 熔融焊锡漂浮导致变压器移位 170
案例10 防锡珠开孔导致圆柱形二极管炉后飞料问题 171
9．5．2 模板开窗在改善焊接良率方面的应用 171
案例11 兼顾开焊与桥连的葫芦形开窗设计 171
案例12 电解电容底座鼓包导致移位 173
案例13 超薄BGA变形导致桥连与球窝 174
第10章 再流焊接与常见不良 175
10．1 再流焊接 175
10．2 再流焊接工艺的发展历程 175
10．3 热风再流焊接技术 176
10．4 热风再流焊接加热特性 177
10．5 温度曲线 178
10．5．1 温度曲线的形状 179
10．5．2 温度曲线主要参数与设置要求 180
10．5．3 炉温设置与温度曲线测试 186
10．5．4 再流焊接曲线优化 189
10．6 低温焊料焊接SAC锡球的BGA混装再流焊接工艺 191
10．6．1 有铅焊料焊接无铅BGA的混装工艺 192
10．6．2 低温焊料焊接SAC锡球的混装再流焊接工艺 196
10．7 常见焊接不良 197
10．7．1 冷焊 197
10．7．2 不润湿 199
案例14 连接器引脚润湿不良现象 200
案例15 沉锡板焊盘不上锡现象 201
10．7．3 半润湿 202
10．7．4 渗析 203
10．7．5 立碑 204
10．7．6 偏移 207
案例16 限位导致手机电池连接器偏移 207
案例17 元器件安装底部喷出的热气流导致元器件偏移 208
案例18 元器件焊盘比引脚宽导致元器件偏移 208
案例19 片式元件底部有半塞导通孔导致偏移 209
案例20 不对称焊端容易导致偏移 209
10．7．7 芯吸 210
10．7．8 桥连 212
案例21 0．4mm QFP桥连 212
案例22 0．4mm间距CSP（也称?BGA）桥连 213
案例23 铆接锡块表贴连接器桥连 214
10．7．9 空洞 216
案例24 BGA焊球表面氧化等导致空洞形成 218
案例25 焊盘上的树脂填孔吸潮导致空洞形成 219
案例26 HDI微盲孔导致BGA焊点空洞形成 219
案例27 焊膏不足导致空洞产生 220
案例28 排气通道不畅导致空洞产生 220
案例29 喷印焊膏导致空洞产生 221
案例30 QFP引脚表面污染导致空洞产生 221
10．7．10 开路 222
10．7．11 锡球 223
10．7．12 锡珠 226
10．7．13 飞溅物 229
10．8 不同工艺条件下用63Sn/37Pb焊接SAC305 BGA的切片图 230
第11章 特定封装的焊接与常见不良 232
11．1 封装焊接 232
11．2 SOP/QFP 232
11．2．1 桥连 232
案例31 某板上一个0．4mm间距QFP桥连率达到75% 234
案例32 QFP焊盘加工尺寸偏窄导致桥连率增加 235
11．2．2 虚焊 235
11．3 QFN 236
11．3．1 QFN封装与工艺特点 236
11．3．2 虚焊 238
11．3．3 桥连 240
11．3．4 空洞 241
11．4 BGA 244
11．4．1 BGA封装类别与工艺特点 244
11．4．2 无润湿开焊 245
11．4．3 球窝焊点 246
11．4．4 缩锡断裂 248
11．4．5 二次焊开裂 249
11．4．6 应力断裂 250
11．4．7 坑裂 251
11．4．8 块状IMC断裂 252
11．4．9 热循环疲劳断裂 253
第12章　波峰焊接与常见不良 256
12．1　波峰焊接 256
12．2　波峰焊接设备的组成及功能 256
12．3　波峰焊接设备的选择 257
12．4　波峰焊接工艺参数设置与温度曲线的测量 257
12．4．1　工艺参数 258
12．4．2　工艺参数设置要求 258
12．4．3　波峰焊接温度曲线测量 258
12．5　助焊剂在波峰焊接工艺过程中的行为 259
12．6　波峰焊接焊点的要求 260
12．7　波峰焊接常见不良 262
12．7．1　桥连 262
12．7．2　透锡不足 265
12．7．3　锡珠 266
12．7．4　漏焊 268
12．7．5　尖状物 269
12．7．6　气孔―吹气孔/针孔 269
12．7．7 孔填充不良 270
12．7．8　板面脏 271
12．7．9　元器件浮起 271
案例33　连接器浮起 272
12．7．10　焊点剥离 272
12．7．11　焊盘剥离 273
12．7．12　凝固开裂 274
12．7．13　引线润湿不良 275
12．7．14　焊盘润湿不良 275
第13章　返工与手工焊接常见不良 276
13．1　返工工艺目标 276
13．2　返工程序 276
13．2．1 元器件拆除 276
13．2．2　焊盘整理 277
13．2．3　元器件安装 277
13．2．4　工艺的选择 277
13．3　常用返工设备/工具与工艺特点 278
13．3．1　烙铁 278
13．3．2　热风返修工作站 279
13．3．3　吸锡器 281
13．4　常见返修失效案例 282
案例34　采用加焊剂方式对虚焊的QFN进行重焊导致返工失败 282
案例35　采用加焊剂方式对虚焊的BGA进行重焊导致BGA中心焊点断裂 282
案例36　风枪返修导致周边邻近带散热器的BGA焊点开裂 283
案例37　返修时加热速率太大导致BGA角部焊点桥连 284
案例38　手工焊接大尺寸片式电容导致开裂 284
案例39　手工焊接插件导致相连片式电容失效 285
案例40　手工焊接大热容量插件时长时间加热导致PCB分层 285
案例41　采用铜辫子返修细间距元器件容易发生微桥连现象 286
第三部分　组装可靠性 289
第14章　可靠性概念 291
14．1　可靠性定义 291
14．1．1　可靠度 291
14．1．2　MTBF与MTTF 291
14．1．3　故障率 292
14．2　影响电子产品可靠性的因素 293
14．2．1　常见设计不良 293
14．2．2　制造影响因素 294
14．2．3　使用时的劣化因素 295
14．3　常用的可靠性试验评估方法―温度循环试验 296
第15章　完整焊点要求 298
15．1　组装可靠性 298
15．2　完整焊点 298
15．3　常见不完整焊点 298
第16章　组装应力失效 304
16．1　应力敏感封装 304
16．2　片式电容 304
16．2．1　分板作业 304
16．2．2　烙铁焊接 306
16．3　BGA 307
第17章　使用中温度循环疲劳失效 308
17．1　高温环境下的劣化 308
17．1．1　高温下金属的扩散 308
17．1．2　界面劣化 309
17．2　蠕变 309
17．3　机械疲劳与温度循环 310
案例42　拉应力叠加时的热疲劳断裂 310
案例43　某模块灌封工艺失控导致焊点受到拉应力作用 310
案例44　灌封胶与PCB的CTE不匹配导致焊点早期疲劳失效（开裂） 312
第18章　环境因素引起的失效 313
18．1 环境引起的失效 313
18．1．1　电化学腐蚀 313
18．1．2　化学腐蚀 315
18．2　CAF 316
18．3　银迁移 317
18．4　硫化腐蚀 318
18．5　爬行腐蚀 318
第19章　锡须 321
19．1　锡须概述 321
19．2　锡须产生的原因 322
19．3　锡须产生的五种基本场景 323
19．4　室温下锡须的生长 324
19．5　温度循环（热冲击）作用下锡须的生长 325
19．6　氧化腐蚀引起的锡须生长 326
案例45　某产品单板上的轻触开关因锡须短路 327
19．7　外界压力作用下的锡须生长 327
19．8　控制锡须生长的建议 328
后记 330
参考文献 331