摘要：塑封 IC 受潮汽侵蚀造成离子污染而引起的可靠性问题较为常见，由 PCB 焊锡污染而引起的则不多。介绍印刷电路板焊锡污染导致 IC 可靠性失效的实际案例，指出焊锡污染发生的条件，通过对 IC 塑封体元素成分的分析，得出焊锡污染可能导致 IC 可靠性失效。通过对

塑封集成电路焊锡污染影响与分析

邱志述，胡敏

（乐山无线电股份有限公司）

摘 要：

塑封 IC 受潮汽侵蚀造成离子污染而引起的可靠性问题较为常见，由 PCB 焊锡污染而引起的则不多。介绍印刷电路板焊锡污染导致 IC 可靠性失效的实际案例，指出焊锡污染发生的条件，通过对 IC 塑封体元素成分的分析，得出焊锡污染可能导致 IC 可靠性失效。通过对失效品加热及再次老化，让 IC 出现变好和再次失效。原理上解释了焊锡污染 IC 封装塑封体是不可恢复的，在特定条件下还可能会再次失效。对表面贴装技术（SMT）工程师给出建议，以避免类似焊锡污染 IC 导致可靠性失效。

0 引言

电路板双面焊接并涉及表面贴装和插件器件，涉及 IC 控制和功率驱动，广泛用于工业控制领域，如新能源汽车充电桩等。关于 IC 在 PCB 上焊接质量、焊接可靠性的相关文献较多[1-4]，而 IC 在 PCB 上焊接后焊锡污染导致 IC 可靠性失效的相关文献少见。本文对 PCB 焊锡污染而影响 IC 可靠性进行相关研究，分析不同焊接方式下焊锡污染 IC 的概率，及污染后 IC 电参数失效的表现，并通过何种方式让失效消失和重现。

1 PCB IC 焊接方式

PCB 上表面贴装 IC 的焊接方式主要为回流焊。而波峰焊也被某些厂家用于 PCB 上表面贴装 IC 的焊接。回流焊和波峰焊所用焊料是无铅焊料，主要成分是锡，含有少量银、铜等金属，回流焊温度在 217~260 ℃之间，波峰焊温度在 255~265 ℃之间。文献[5-6]描述波峰焊焊接表面贴装和插件 IC 的具体步骤为，贴片机将表面贴装 IC 贴于 PCB 底部的设定位置，使其与插件 IC 的插脚处于同一焊接面。用红胶将其固定，通过高温使红胶固化后将表面贴装 IC 牢牢固定住，将插件 IC 插接在 PCB 设定位置，将上述 PCB 送进波峰焊机焊接，完成插件 IC 和表面贴装 IC 在PCB 中的焊接。

多层电路板双面焊接并涉及表面贴装和插件 IC，有两种方式实现 IC 焊接。一是回流焊完成PCB 正面表面贴装 IC 的焊接，回流焊再完成 PCB 背面表面贴装 IC 的焊接，波峰焊完成 PCB 背面插件 IC 的焊接。另一种方式是回流焊完成 PCB 正面表面贴装 IC 的焊接，波峰焊完成 PCB 背面表面贴装和插件 IC 的焊接。前者需要两次回流焊和一次波峰焊，后者需要一次回流焊和一次波峰焊，后者的好处是降低作业成本，提高生产效率[6]。

2 焊锡污染失效及定位

印刷在 PCB 焊盘上的焊膏量决定焊接后管脚的爬锡高度，图 1 表面贴装 IC 在回流焊后焊锡把电路板和 IC 管脚焊接好，焊锡只在管脚底部、侧面，没有爬到 IC 管脚正面，更没有爬到管脚成型折弯处。这种情况下焊锡不会和 IC 的塑封体接触，焊锡污染塑封体概率低。图 1 红色箭头指示无爬锡区域的铜引线管脚与锡覆盖的区域颜色差别明显。

波峰焊中 PCB 通过一个熔化焊料的锅，在锅中一个泵会产生一个像驻波一样的焊料上涌。当 PCB 与波峰接触时，元件就被焊接到 PCB 上。波峰焊中焊锡的波峰会浸泡被焊 IC 的整个塑封体，焊锡污染塑封体的概率很大。因工艺、材料差别，污染程度可能会有所差异。图 2 是图 1的同一块 PCB 的表面贴装 IC 波峰焊焊接后的形貌，IC 管脚全部被焊锡覆盖，IC 塑封体侧面中间铜框架切筋后留下的外露点也被焊锡包裹，从图 1 的黄色（铜材颜色）变成银色（焊锡包裹颜色）。

回流焊是通过红外加热，融化印刷在 PCB 上的锡膏，把 IC 管脚和 PCB 焊接在一起，塑封体底部和电路板之间有 60~100 µm 的高差，而且 IC 塑封体下面没有焊锡，焊锡污染 IC 塑封体的概率几乎为零。波峰焊中焊锡的波峰会浸泡被焊 IC 的整个塑封体，焊锡污染塑封体的概率很大。综上所述，回流焊中焊锡污染表面贴装 IC 塑封体概率低，波峰焊中焊锡污染表面贴装 IC塑封体概率高。

同一款 IC 在 PCB 正面、背面各一颗，正面那颗是回流焊焊接的，背面那颗是波峰焊焊接的。对 PCB 进行高温带电可靠性老化试验，对 IC 的条件是环境温度 50 ℃下 Vin=9 V、Iout=15 mA。正面那颗回流焊 IC 无失效，背面那颗波峰焊 IC 失效率 5%左右，失效表现为 Vin 对地短路，Vout在 10 mA 状态下输出为－0.5 V，正常 Vout 输出应该为 3.23-3.37 V 之间，Iq 超标，超过 5 µA。对比好品，用示波器发现失效品 Vin-Vss、Vout-Vss 等的 I-V 曲线异常，对失效品进行 12 h 、0.13 Pa、40 ℃的真空箱去湿气，IC 没有变化，仍然失效。

显然去湿气不能让失效 IC 恢复正常，排除湿气导致 IC 老化失效的证据之一是对失效 IC 和合格品做纵向解剖，均未看见芯片表面和塑封体之间有分层（图 3）。证据之二是对烘烤恢复正常的 IC 进行 85 ℃、相对湿度 85%、12 h 的加湿实验，结果产品表现正常，没有失效。

塑封 IC 因湿气导致可靠性失效，烘烤恢复的情况在文献[7]中有描述，本案例的 IC 失效后烘烤恢复，排除湿气原因，怀疑可能和焊锡污染相关。

为探寻波峰焊 IC 可靠性失效原因，找出好品和失效品的封装塑封体表面元素差异，对波峰焊失效品、波峰焊好品和回流焊好品进行 IC 塑封体表面元素成分 EDX 分析，结果显示回流焊的 IC 封装体表面未见 Sn，波峰焊失效品 Sn 的质量分数要高于波峰焊正常品，如表 1 所示。

显然，波峰焊后 IC 可靠性失效，烘烤恢复的现象和其封装中含有大量 Sn 元素有强相关性，元素分析用 EDX 的加速电压为 30 keV，元素探测深度大约 6 µm，说明失效的 IC 可能因波峰焊而使其塑封体受到焊锡污染，污染深度至少 6 µm。焊锡污染塑封体后对 IC 性能影响的相关文献极少，查阅了大量文献，未能从原理上科学地解释上述现象。发现最接近的文献[8]也只是对回流焊、波峰焊过程中残留物研究，重点为助焊剂残留研究，没有找到涉及焊锡金属元素对 IC 封装体污染的相关文献。

3 失效机理与措施

失效 IC 内部电路结构如图 4 所示，IC 芯片被焊接在 Vin 管脚，即 IC 芯片衬底与 Vin 管脚连通，如图 5 所示。焊锡污染后 IC 塑封体内浸入了大量的 Sn 等金属元素，这些金属元素在 IC 带电可靠性老化中的电场影响下移动，慢慢汇聚在一起。当这些金属离子浓度达到一定程度，连通Vin 管脚和 GND 管脚，将出现 Vin 管脚对地短路，Vin-GND 短路电流 4.24 mA。

对失效 IC 进行 12 h、150 ℃烘烤，热的作用让 IC 塑封体局部聚集的高密度离子区域如 Sn等金属元素重新均匀分布，IC 电特性将趋于好转，短路电流 1.18 mA（图 6b）。持续加热 24 h，IC 各项电参指标均回归正常范围，短路电流 0.00 mA（图 6c）。

高温烘烤只是让 IC 塑封体中的 Sn 等金属元素重新均匀分布，并不会让这些金属元素离开IC 塑封体，即焊锡的金属元素仍然存在 IC 塑封体中，如果再进行类似的带电可靠性老化实验，理论上该 IC 将会再次失效，实验证明确实如此，失效是可逆的，可重复的。把烘烤恢复正常的IC 重新进行带电老化实验，条件是 Ta=50 ℃，Vin=9 V，lout=30 mA，Vout=3.3 V，24 h 后 IC 重新失效，失效现象是 Iq 超标，三颗样品之前 Iq 分别为 3.273、4.269、3.763 µA，老化之后分别为 15.011、5.499、8.206 µA。正常范围是小于 5 µA。

综上，焊锡污染 IC 封装塑封体是不可恢复的，一旦污染，IC 塑封体无法去除污染的焊锡元素。而焊锡污染导致的 IC 电参数的失效是可以恢复的，但这种恢复后的 IC 因为污染的焊锡仍然存在塑封体中，在特定条件下还可能会再次失效。建议对敏感的表面贴装 IC 用标准的回流焊工艺，减少焊锡污染 IC 塑封体的可能性。

4 结论

为提高生产效率，某些 SMT 厂家用波峰焊设备同时处理多层电路板中某一面的表面贴装 IC和插件 IC，这样做有成本优势。本文通过对塑封 IC 焊锡污染失效机理进行研究，发现波峰焊对表面贴装塑封 IC 有焊锡污染风险，而且焊锡污染后的 IC 是不可恢复的，污染的 IC 一直都有可靠性隐患。建议对敏感的表面贴装塑封 IC 用回流焊工艺，避免使用波峰焊工艺，以减少焊锡污染 IC 塑封体的可能性。

来源：半导体封装工程师之家一点号