SMT 焊点质量检测方法
SMT 焊点质量检测方法
史建卫1，徐波1,2，袁和平1，王洪平1
（1.日东电子科技（深圳）有限公司，广东，深圳，518103
2.哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室，黑龙江，哈尔滨 150001）
摘 要：文章介绍了 SMT 焊点质量常用检测方法，包括从外观到内部组织机构、从电
性能到机械性能等各项检测的原理和应用范围，并分析了在工艺、制造和使用过程中出现的
各种焊点失效机理，并从焊点几何结构设计、钎料性质及材料热匹配等方面提出了降低失效
率、提高焊点可靠性的途径。
关键词：表面组装技术，焊点质量，检测，可靠性，热循环
中图分类号：TN606 文献标识码：A 文章编号：1004-4507(2005)09-0026-08
Inspection Method on Solder Joint Quality in SMT
Shi Jianwei1, Xu Bo1,2, Yuan Heping1, Wang Hongping1
( 1.Sun East Electronic Technology Company Lt.d, Shenzhen, 518103 China
2.Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China )
Abstract: This article introduces principium and applications of basic inspection methods on
solder joint quality in SMT, analyses the failure mechanism of solder joint attributing to
technology, manufacture and service, and then proposes approach to improving reliability of
solder joint based on solder joint design, solder properties and material’s CTE.
Key words: Surface Mount Technology(SMT), Solder Joint Quality, Inspection, Reliability,
Thermal Cycle
Document Code: A Article ID: 1004-4507(2005)09-0026-08
为确保电子产品质量稳定性和可靠性，或对失效产品进行分析诊断，一般需
进行必要的焊点质量检测。SMT 中焊点质量检测方法很多，应该根据不同元器
件、不同检测项目等选择不同的检测方法。
1.焊点质量检测方法
焊点质量常用检测方法有非破坏性、破坏性和环境检测三种，见表 1 所示。
（1）目视检测
目视检测是最常用的一种非破坏检测方法，可用万能投影仪或 10 倍放大镜
进行检测。检测速度和精度与检测人员能力有关，评价可按照以下基准进行：
润湿状态：钎料完全覆盖焊盘及引线的钎焊部位，接触角最好小于 20℃，
通常以小于 30℃为标准，最大不超过 60℃。
表 1 焊点质量常用检测方法
非破坏检测 破坏检测 环境检测
目视
检测
电气
检测
X-ray
检测
超声波
检测
抗张破
坏检测
剥离
检测
显微组
织检测
腐蚀
检测
振动
检测
冲击
检测
作者介绍：史建卫（1979-），男，毕业于哈尔滨工业大学，主要从事 SMT 工艺与设备方面的研究
焊点外观：钎料流动性好，表面完整且平滑光亮，无针孔、砂粒、裂纹、桥
连和拉尖等微小缺陷。
钎料量：钎焊引线时，钎料轮廓薄且引线轮廓明显可见。
（2）电气检测
电气检测是产品在加载条件下通电，以检测是否满足所要求的规范。它能有
效地查出目视检测所不能发现地微小裂纹和桥连等。检测时可使用各种电气测量
仪，检测发现的不良包括导通不良及在钎焊过程中引起的元器件热损坏，前者是
由微小裂纹、极细丝的锡蚀和松香粘附等引起，后者是由于过热使元器件失效或
助焊剂分解气体引起元器件的腐蚀和变质等引起。
（3）X-ray 检测
X-ray 检测是利用 X 射线可穿透物质并在物质中有衰减的特性来发现缺陷
的，主要检测焊点内部缺陷，如 BGA、CSP 和 FC 焊点等。目前 X 射线设备的
X 光束斑一般在 1～5 微米范围内，不能用来检测亚微米范围内的焊点微小开裂。
（4）超声波检测
超声波检测利用超声波束能透入金属材料的深处，由一截面进入另一截面
时，在界面边缘发生反射的特点来检测焊点的缺陷。来自焊点表面的超声波进入
金属内部，遇到缺陷及焊点底部时就会发生反射现象，将反射波束收集到荧光屏
上形成脉冲波形，根据波形的特点来判断缺陷的位置、大小和性质。超声波检验
具有灵敏度高、操作方便、检验速度快、成本低、对人体无害等优点，但是对缺
陷进行定性和定量判定尚存在困难。
扫描超声波显微镜（C-SAM）主要利用高频超声（一般为 100MHz 以上）
在材料不连续的地方界面上反射产生的位相及振幅变化来成像，是用来检测元器
件内部的分层、空洞和裂纹等一种有效方法。采用微声像技术，通过超声换能器
把超声脉冲发射到元件封装中，在表面和底板这一深度范围内，超声反馈回波信
号以稍微不同的时间间隔到达转化器，经过处理就得到可视的内部图像，再通过
选通回波信号，将成像限制在检测区域，得到缺陷图（图 1）。一般采用频率从
100MHz 到 230MHz，最高可达 300MHz，检测分辨率也相应提高。
图 1 微声像技术所成缺陷图
（5）显微组织检测
显微组织检测是将焊点切片、研磨、抛光后用显微镜来观察其界面，是一种
发现钎料杂质、熔蚀、组织结构、合金层及微小裂纹的有效方法。焊点裂纹一般
呈中心对称分布，因而应尽量可能沿对角线方向制样。显微组织检测和机械性破
坏检测一样，不可能对所有的成品进行检测，只能进行适量的抽检。光学显微镜
是最常用的一种检测仪器，放大倍数一般达 1000 倍，可以直观的反映材料样品
组织形态，但分辩本领较低，约为 20nm。
（6）机械性破坏检测
机械性破坏检测是将焊点进行机械性破坏，从它的强度和断裂面来检查缺陷
的。常用的评价指标有拉伸强度、剥离强度和剪切强度。因为对所有的产品进行
检测是不可能的，所以只能进行适量的抽检。
（7）其它几种检测方法
染色与渗透检测技术（D&PT）是通过高渗透性高着色性染料渗透入焊点开
裂区域，然后拉开焊点，观测焊点内部开裂程度和分布。试验时必须小心控制拉
断器件时的外力，以保证焊点继续沿预开裂区域断开。
染色试验荧光渗透剂检测是利用紫外线照射某些荧光物质产生荧光的特性
来检测焊点表面缺陷的方法。检验时先在试件上涂上渗透性很强的荧光油液，停
留 5～10 分钟，然后除净表面多余的荧光液，这样只有在缺陷里存在荧光液。接
着在焊点表面撒一层氧化镁粉末，振动几下，在缺陷处的氧化镁被荧光油液渗透，
并有一部分渗入缺陷内腔，然后把多余的粉末吹掉。在暗室里用紫外线照射，留
在缺陷处的荧光物质就会发出照亮的荧光，显示出缺陷。
磁粉检测是利用磁粉检测漏磁的方法，检测时利用一种含有细磁粉的薄膜胶
片，记录钎焊焊点中的质量变化情况。使用后的几分钟内，胶片凝固并把磁粉“凝
结”在一定的位置上，就可以观察被检测试件上的磁粉分布图形，确定是否有缺
陷。由于大多数钎料是非磁性的，因此不常用于钎焊焊点的检验。
X-ray 衍射（XRD）是通过 X-ray 在晶体中的衍射现象来分析晶体结构、晶
格参数、缺陷、不同结构相的含量及内应力的方法，它是建立在一定晶格结构模
型基础上的间接方法。
电子显微镜（EM）是用高能电子束做光源，用磁场作透镜制作的电子光学
仪器，主要包括扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM），电子探针
显微镜（EPMA）和扫描透射电子显微镜（STEM）。其中 SEM 用来观察样品表
面形貌，TEM 用来观察样品内部组织形态和结构，EPMA 用来确定样品微观区
域化学成分，STEM 具有 SEM 和 TEM 的双层功能。
此外，化学分析、红外热相（IRTI）分析、激光全息照相法和实时射线照相
法等也可用于焊点质量检测。表 2 为不同分析项目的一些主要分析方法。
表 2 不同分析项目对应的分析方法
分析项目 分析方法
外观 光学显示、SEM、AFM、荧光显式
内部组织 光学显示、X 射线透射、SAT
界面形状 光学显示、SEM、TEM、研磨、FIB
断面 光学显示、SEM、AES、XRD、TEM
IMC 光学显示、SEM、EDX、WDX、TEM、研磨、FIB、腐蚀
结晶粒 光学显示、SEM、AFM、XRD、TEM、研磨、FIB、腐蚀
裂纹分析 光学显示、SEM、D&PT
成分 EDX、WDX、AES、XPS、XRF、GCMS
鉴别 XPS、XRD、FTIR、电离色谱、气体色谱、GCMS、荧光显示、研磨、腐蚀
残渣 EDX、WDX、AES、XPS、SIMS、XRD、FTIR、液体色谱、GCMS、研磨
微量不纯物 EDX、WDX、AES、XPS、SIMS、电离色谱、液体色谱、GCMS、研磨
化学耦合 FTIR、拉曼光谱、GCMS
气体分析 TDS、气体色谱、GCMS
强度测试 拉伸、剪切、剥离
其中：
FIB： 聚焦离子束装置 AFM： 原子内力显微镜
SEM： 扫描电镜 AES： 俄歇电子光谱分析
EDX： 能量离散性 X 光分析 XPS： X射线激励光电子光谱分析
EPS： 电子探测微量分析 SIMS： 二次离子质量分析
WDX： 波长分散型 X 线光谱分析 XRD： X射线衍射
TEM： 透射电镜 XRF： 荧光 X 射线光谱分析
SAT： 超声波显微镜 FTIR： 傅立叶变换式红外光谱分析
TDS： 加热气体分析 GCMS： 气体色谱法质量分析
ICP-MS：耦合型感应等离子质量分析 D&PT： 染色与渗透检测
2.加载检测及可靠性评价
产品失效主要原因包括温度、湿度、振动和灰尘等，各占比例为 55％、19
％、20％和 6％。加载检测是每一个部件在实用条件下进行加载以检测其动作状
况，方法有振动检测、热冲击检测、热循环检测、加速度检测和耐压检测等，一
般根据实用条件把它们组合起来进行，且要求对每一个成品进行检测。这种方法
最为严格，可靠性高，只有航天产品等可靠性要求特别严格的情形下才予以采用。
近年来国际上采用一种全新的焊点可靠性评估方法，即等温加速扭转循环法
（MDS），通过在一定温度下周期扭转整个印刷电路板来考察焊点的可靠性。该
方法在焊点内产生的应力以剪切应力为主，和温度循环相似，因而失效模式和机
理极为相似，但试验周期却可从温度循环的几个月减少到几天。该方法不但可以
用来快速评估焊点可靠性，同时也可以用来进行快速设计和工艺参数优化。
可靠性评价分类见表 3。迁移是金属材料在环境下化学反应形成的表面侵蚀
现象，其生长过程分为阳极溶解、离子迁移和阴极还原，即金属电极正极溶解、
移动，在负极析出导致短路。迁移的发生形态常称为 Dendrite 和 CAF（见图 2）：
Dendrite 指迁移使金属在 PCB 的绝缘部表面析出，或者是形成树枝状的氧化物；
CAF 指金属顺着印制板内部的玻璃纤维析出，或者使氧化物作纤维状的延伸。
表 3 可靠性评价分类
评价项目 评价内容 评价方法
接合部状态分析
结晶结构
接合界面结构
裂纹、针孔
固溶、元素扩散
光学显微镜
X 射线分析、扫描式电子显微镜
X 射线分析、二次离子质量分析
俄歇电子光谱分析
接合强度
拉伸
剪切
挠曲
利用行业协会制定的检测标准进行检测
绝缘性 迁移
晶须
专业协会标准
电子色普仪分析
金属离子的指标可用标准电极电位E0来表示，其中Sn比Pb和Cu稳定，能形
成保护性高的纯态氧化膜，抑制阳极溶解。电极电位的大小不仅取决于电对的本
性，还与参加电极反应的各种物质的浓度有关。对于大多数电对来说，因为H+（或
OH-）直接参与了电极反应，因此电极电位还与PH值有关：PH值越高，电极电
位越小。另外，助焊剂残留如果不清洗干净，一些腐蚀性、活性元素（如Cl）会
使电迁移更强，影响电路可靠性。所以，目前常用免清洗助焊剂严格控制其活性
和组份。
图 2 Dendrite 和 CAF
3.热循环检测试验
热循环失效是指焊点在热循环或功率循环过程中，由于芯片载体材料和基本
材料存在的明显的热膨胀系数（CTE）差异所导致的蠕变－疲劳失效。通常SMT
中芯片载体材料为陶瓷（Al2O3），CTE为 6.0ppm/℃，基板材料为环氧树脂/玻璃
纤维复合板（FR4），CTE为 20.0ppm/℃，二者相差三倍以上。当环境温度发生
变化或元件本身通电发热时，由于二者间CTE差异，在焊点内部就产生周期性变
化的应力应变过程，从而导致焊点的失效。
IPC-9701 标准化了五种试验条件下的热循环试验方法，从良性的 TC1 参考
循环条件到恶劣的 TC4 条件，符合合格要求的热循环数（NTC）从 NTC-A 变化
到 NTC-E（见表 4）。
表 4 热循环试验条件及合格要求
IPC-9701 中描述的试验条件
试验条件 T(min) T(max) ΔT Tsj 注释
TC1 0oC +100oC 100oC 50oC 推荐参考
TC2 -25oC +100oC 125oC 37.5oC
TC3 -40oC +125oC 165oC 42.5oC 违反 IPC-SM-785
TC4 -55oC +125oC 180oC 35oC 违反 IPC-SM-785
TC5 -55oC +100oC 155oC 22.5oC 违反 IPC-SM-785
IPC-9701 中描述的合格要求
合格要求 循环数 说明
NTC-A 200
NTC-B 500
NTC-C 1000 推荐参考 TC2，TC3，TC4
NTC-D 3000
NTC-E 6000 推荐参考 TC1
失效循环次数可用一个简单修正的 Coffin-Manson 数模来预测，并可以加速
获得热循环测试结果。Coffin-Manson 数模是关于热应力引起的低循环疲劳对微
电路和半导体封装可靠性影响进行建模的有效方法，表达式为：
Nf=(A/εp)-1.9×f1/3×e0.123/KTmax （1）
其中Nf为疲劳失效循环数，A为常数，εp为每个循环的应变范围，f为循环
频率，K为波尔兹曼常数（eV），Tmax为最高循环温度（k）。
IPC-9701 使用 Engelmaier-Wild 焊点失效模型来评估加速因子 AF（循环数）
和 AF（时间）。AF（循环数）与焊点的循环疲劳寿命有关，是在有关给定使用
环境中产品寿命的试验中获得的，可表示为：
AF(循环数)=Nfield/Nlab=(△Tfield/△Tlab)-1.9×(ffield/flab)1/3
×[exp(1414/Tfield-max-1414/Tlab-max)] （2）
其中AF为加速因子，Nfield为现场循环数，Nlab为试验循环数，ffield为现场循环
频率，flab为试验循环频率，△Tfield为现场温度变化，△Tlab为试验温度变化，Tfield-max
为现场最高温度（k），Tlab-max为试验最高温度（k）。
AF（时间）与焊点失效的时间有关，是在有关在给定的使用环境中产品寿
命的试验中获得的，可表示为：
AF(时间)=AF(循环数)×[(ffield/flab) （3）
设计试验时，在芯片和 PCB 内引入菊花链结构使得组装后的焊点形成网络，
通过检测网络通断来判断焊点是否失效。一般需要采用高速连续方案，在纳秒级
内连续高速采样，以保证及时准确探测到焊点的开裂。评价时常根据某一恒定的
金属界面上电位降或电阻变化来判断焊点的质量，一般电阻增加 150～225ohms，
或大于 200 ohms，就可判断为电性能失效，测得的电阻值超过阀值电阻 1000 欧，
就认为是开路。
注意的是，相同高温温差比低温温差引起的损坏程度要大，高温变率条件下
失效循环次数比低温变率条件下失效循环次数要低。但在快速温变条件下如果改
变了失效机理，焊点特征值的变化就不可能真实地反应大多数现场应用情况。此
外，Reza Ghaffarian 还发现失效应力条件可从全局转变为局部，比如小型化封装
易出现从焊接接合点到封装组装一侧的失效转移，这就要求建立正确的的失效模
型，否则会导致错误的失效循环次数预测结果。
一般规定热循环可接受指标为：-40℃～125℃，800～1000 次循环未失效即
可。这些基于和实际现场使用条件相应的模拟结果的指标有很大的安全余量，对
于大多数产品来讲，300 次循环就已足够。
4.焊点失效机理
4.1 工艺方面
（1）热应力与热冲击
钎焊过程中快速冷热变化，对元件造成暂时的温度差，使元件承受热机械力，
导致元件的陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹，成为影响焊点长期可靠性的不利因
素。钎料固化后，PCB 由高温降到室温，由于 PCB 和元件间 CTE 不同，有时也
会导致陶瓷元件破裂。PCB 的玻璃转化温度（Tg）一般在室温和 180℃之间。焊
后钎焊面被强制冷却，PCB 两面就会在同一时刻处于不同的温度，导致钎焊面
在玻璃化转变温度以上时出现 PCB 翘曲现象（允许有 3～5°翘曲），从而损害
元器件。基板与元件之间 CTE 不同，也会造成元件的破裂或焊点裂纹（元件不
够就要焊点来吸收多余的变形）。
（2）金属溶解
在电路组装中，常常出现蚀金蚀银现象。这是因为钎料中的锡与镀金/银引
脚中的金/银会形成化合物，导致焊点可靠性降低。钎料从钎焊温度冷却到固态
温度期间，有溶解的金属析出，在钎料基体内形成脆性的金属化合物。铜生成针
状的Cu6Sn5，银生成扁平的Ag3Sn，金生成AuSn4立方体。这些化合物非常脆，
剪切强度极低，元件极易脱落。如果金/银含量少，生成的化合物量不多，对焊
点的机械性能不会造成太大的损害，但是含量较多时，钎料会变得易碎。
（3）基板和元件过热
各种材料塑性一般在钎焊温度时是不稳定的，常出现基板剥离和褪色现象。
纸基酚醛树脂常发生剥离，适于红外再流焊，而 FR-4（环氧玻璃基板）在红外
再流焊中经常变色。
“爆米花”现象常出现在大芯片 IC 中。IC 塑料封装极易吸潮，加热时潮气
就会释放出来并气化，再流焊时在芯片底部的薄弱界面处累积成一个气泡，封装
受到气泡的压力发生开裂。这一现象与潮湿量、芯片的尺寸、芯片下的塑料厚度
和塑料封装与芯片之间的粘合质量有关。目前解决的方案就是先烘干 IC，然后
密封保存并保持干燥；或者在使用前几小时进行 100℃以上的预先烘烤。在波峰
焊中，一般不会发生“爆米花”现象。
（4）超声波清洗损害
超声波清洗对于清除 PCB 表面残留助焊剂很有效，其缺点是受超声波功率
大小的控制，太小则不起作用，太大则会破坏 PCB 及元件。超声波清洗有可能
造成的两种破坏结果：小液滴对表面的碰撞像喷沙，类似表面风化；在清洗槽内，
陶瓷基板受到超声负载激励而呈现共谐振动，产生周期性弯曲而发生疲劳断裂。
（5）装卸和移动
电子产品从元器件装配、电路组装、钎焊直到成品的运输和使用的整个寿命
周期内，可能会承受由于机械负载引起的各种振动和冲击。例如引起片装电容器
产生破裂的一个常见原因就是 PCB 板的弯曲。从很紧的夹具中把 PCB 板取出时
就会出现这种情况。
4.2 制造方面
（1）机械应力
由于 PCB 板的弯曲附加给焊点和元器件过量的应力，产生焊点质量问题主
要包括三个方面：
ò 大通孔元件焊点所受应力易超过屈服极限。如果 PCB 板上有比较重的
元件（如变压器），应该选择夹具支撑。
ò 无引线陶瓷元件易发生断裂。当片式元件从多层板上分离时，元件发生
断裂的危险性相当高，故最好不要将片式阻容元件放在易弯曲的地方。
ò IC 器件上也会发生焊点断裂。鸥翼形引线在板平面方向是柔性的，但在
板垂直方向是刚性的，如果带有大的细间距 IC 的 PCB 发生翘曲而没有
支撑，或由于不正确的夹具而形成机械负载，就会对焊点造成威胁。
（2）运输振动
焊点形状圆而光滑，没有应力集中尖角，振动负载一般不会损坏焊点，却会
破坏引线，特别是重元件和只有少量（2 或 3 根）长的排成一列的柔性引线元件
（比如大的电解电容）易遭受振动，导致元件引线发生疲劳断裂。
（3）机械冲击
通孔插装焊点具有良好的体积和形状，焊点受机械冲击时一般不会损坏，但
钎焊结构其它部分会发生失效，如大而重的有引线元件，受机械冲击后产生的大
惯性力引起 PCB 板上覆铜剥离或板断裂，进而损坏元件本身。所以要求大而重
的元件必须有足够的机械支撑固定，且要求引线有柔性。
表面组装焊点比通孔插装焊点小的多，且引线不穿过电路板，焊点机械强度
较小，更易受到冲击损坏的危险，应从钎焊材料和工艺入手，比如使焊膏在钎焊
时不易形成焊球，助焊剂残留物易于清除，焊膏用量要适当等。
（4）老化
实际应用中，电子电路会承受各种各样的负载，包括空气环境（如潮湿、污
染的气体和蒸汽），烟雾（汽车尾气），温度，机械负载等，造成以下后果：化学
和电化学腐蚀，板析的退化，钎料中锡与钎焊合金之间合金层的生长，由弹性塑
性变形产生蠕变断裂及热机械疲劳。
基板材料在温度升高时会发生老化，温度越高老化越快。基板失效标准是：
弹性强度减半，即当弹性强度减半时，材料已老化失效。基板使用温度的最高允
许值取决与产品的“运行”时间。对电子电路来说，连续运行时间为 10E5，使
用温度控制在 80～100℃。
（5）电化学腐蚀
在潮湿和有偏置电压的情况下，金属迁移和腐蚀很易发生。所有钎焊金属都
可能发生迁移，银是最敏感的。空气污染所致的电化学腐蚀危险性很小，但遇到
含硫气体时，气体中的硫会与焊点上的银反应，生成Ag3S而降低焊点可靠性。
（6）合金层
合金层不仅在钎焊过程中形成，而且在后置放置过程中也会增厚。金属间化
合物一般比较硬而脆，厚度不适对焊点可靠性不利，一般有三点要注意：
ò 软合金层将导致焊点破裂，特别容易发生在含金的钎料中。
ò 整个薄层合金的变化将导致粘附力的降低或电接触的老化。
ò 钎焊金属与合金层之间的界面处出现钎焊金属的伴生物，如铜－锡合金
层之间出现的SnO2。
（7）蠕变断裂
材料在长时间恒温、恒压下，即使应力没有达到屈服强度，也会慢慢产生塑
性变形的现象称为蠕变，由蠕变引起的断裂叫做蠕变断裂。一般来讲，当温度超
过材料熔点温度的 0.3 倍以上时，才会出现明显的蠕变。
5.提高焊点可靠性方法
影响焊点质量的因素有很多，包括机械负载、热冲击、装卸和移动造成的破
坏和老化等方面的原因。操作时应该采取相关措施来保证焊点质量，包括温度循
环负载要小，元件要小，PCB 的 CTE 要小，采用柔性引线，尽量不要装配大而
重的元件，通孔与引线配合应紧密但不要太紧，焊点尺寸和形状要适当。另外，
PCB 板装配应保证在板水平方向能自由移动，否则周期性的弯曲会破坏大元件
的焊点；通过优化两个特性：疲劳屈服点和蠕变阻抗，使钎料合金的疲劳寿命达
到最大值。
改善 SMT 焊点的可靠性，提高其服役寿命是一个非常复杂的问题，它涉及
到材料学、新工艺、新技术的开发等众多领域。
（1）设计高可靠性焊点几何结构
焊点的大小及形状不同，其承载能力就不同，不同的几何结构将使焊点在承
载时内部的应力分布不同，其应变程度也不同。因而焊点的几何结构直接关系到
热循环寿命。
N.Brady 等人考察了 25mil 间距的 QFP L 型引线焊点形态对强度的影响，得
到如下经验公式：
N=2.1X1-0.58X2+6.2X3+2.6X4+2.1X5 （4）
其中 Xi (i=1,2,3,4,5,) 是焊点形态参数，如图 3 所示。
图 3 焊点形态参数
W.M sherry 等人对 84 I/O 非城堡型 LCCC 焊点的剪切性能进行了试验研究，
结果表明：A、B、C 三种焊点形态（见图 4），其剪切性能不同，C 形焊点在室
温下的剪切性能最好。此外，焊点形态对剪切破断位置也有影响：A 形焊点，剪
切破断发生于钎料与陶瓷界面附近，B 形和 C 形焊点，剪切破断则发生于钎料与
基板界面附近。
图 4 焊点形态
王国忠博士对带有边堡的无引线 SMT 焊点形态问题进行了详细的理论分析
和试验研究，得到了焊盘伸出长度、间隙高度和钎料量变化所造成的焊点形状变
化与其热循环的关系，指出平型或微凸点的热循环寿命是最高的，大约是凹型焊
点寿命的 5 倍（图 5），并且不同形态的焊点，其断裂所发生的位置也不同（图 6）。
图 5 焊点形态与热疲劳寿命关系 图 6 焊点形态与裂纹产生位置
焊点失效时，剪切断口一般位于 PCB 焊盘或集成块基底焊盘与焊球之间，
弯曲疲劳和热冲击疲劳开裂部位一般位于 PBGA 集成块最边缘处的某一焊球，
而断口一般位于 PCB 焊盘与焊球之间，而不是集成块基底焊盘与焊球之间。这
是由于焊球与 PCB 焊盘结合部位截面尺寸变化较大，为应力集中处，而且这一
部位形成了金属间化合物（IMC）而导致接合力脆弱。对于 CBGA，开裂部分一
般不会出现在焊球上。
增大焊盘尺寸可提高可靠性，一个大的焊盘增加了承受负载的面积，也增大
了形成失效缩需的裂纹传播长度。弯曲疲劳试验中，最可靠的组合是在元件上采
用小焊盘，而在PCB侧采用大焊盘。热循环疲劳试验中，最可靠的组合是在元件
上采用大焊盘，而在PCB侧采用小焊盘。此外，焊盘直径对焊点形状影响很大，
直径越大，高度越低。由于集成块尺寸不变，所以焊点轮廓变化趋势由灯笼形变
为圆锥形，且有向里凹的可能。设计PBGA焊接工艺的一个参考原则是：尽量让
焊球两边的焊点达到最佳配合。当Dp/D0接近 1，为灯笼状，剪切拉伸时上下一
致，都有可能被撕裂，且试验板有最大剪切强度，弯曲疲劳和热冲击疲劳寿命也
最高。
焊盘周围阻焊层对可靠性也会造成很大影响，一般当其开口直径大于焊盘直
径时，焊点平滑地与焊盘焊牢没有形成尖角，可靠性就高。
图 7 PBGA 设计要求
（2）研制高可靠性软钎料
SMT 焊点失效是特定载荷条件下钎料的蠕变－疲劳断裂问题，因此钎料性
能对焊点可靠性有决定性的影响，研制高可靠性钎料对提高 SMT 焊点的可靠性、
推动 SMT 的广泛应用无疑具有重要的意义。表 5 给出了不同成分的软钎料的焊
点循环寿命与 SnPb 共晶钎料的相对比较结果。可以看出：SnAg 软钎料热循环
寿命很高，但是含 Ag 4％成本高，且熔点升高（232℃），不易为现行的各种表
面组装工艺所接受，因而应用受到了限制。
微量 Ce-La 混合稀土的加入就可以起到细化晶粒，强化晶界，提高晶内抗变
形能力的作用，热疲劳寿命可提高 3 倍，且改性后工艺性能无变化。
表 5 几种软钎料合金的抗疲劳性（相对于 Sn63Pb37）
钎料合金 相对疲劳寿命 钎料合金 相对疲劳寿命
94Sn/4Ag 3.03 62Sn/36Pb/2Ag 1.14
95Sn/5Sb 2.10 63Sn/37Pb 1.00
40Sn/40In/20Pb 2.00 40Sn/60Pb 0.61
（3）开发热膨胀系数（CTE）匹配材料
基板和芯片载体材料间 CTE 差异是热循环过程中应力产生的主要原因，因
而研制新型基板和芯片载体材料，使其热膨胀系数相匹配，就可减小应力幅值，
改善焊点受力状态，进而提高焊点的可靠性。但 CTE 匹配后，仍不能完全消除
应力差异，因为在功率循环过程中，各处的温度不同，温度分布的复杂性，必然
导致单纯依靠 CTE 匹配就不能满足多种要求。
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