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《Youtube》MSOP高低溫度循環測試後出現錫裂的可能原因探討

今天要我們來討論一個論壇上網友提出來關於MSOP封裝IC貼焊在PCB上，經過高低溫循環測試後，出現錫裂的可能原因探討與對策。

背景描述：

這位苦主貼出了一張MSOP封裝IC焊錫破裂的橫截面切片圖，紅色箭頭所指的位置明顯出現焊錫裂縫。苦主說明，IC的導線架底材為”銅”做了鍍錫的表面處理。經過-40˚C~85˚C的溫度循環1,000次之後，出現了如圖片所示的錫裂情形。溫度循環的升降溫斜率為 4˚C/min，到達指定的溫度後保存15分鐘。苦主還補充說明，溫度循環後產品的功能還是可以正常運作，這說明焊錫可能並未完全裂開，並詢問可能原因有哪些？

除了上述的資訊之外，苦主其實並沒有再針對網友們的提問多做其他的補充說明，而檢視苦主原先所提供的資訊，其實是不太足夠的。至少苦主就沒有提供錫膏的型號與PCB的板材與厚度，以及PCB的表面處理種類，其實MSOP位於PCB的那個位置也很重要，我們除了要知道發生錫裂的MSOP位置外，最好還要確認同一片PCBA上是否還有其他的零件也有錫裂發生？

這裡我們要暫時岔開話題，先稍微解釋一下什麼是MSOP。MSOP是Mini Small Outline Package的英文縮寫，中文大概可以翻譯成「迷你小外型封裝」。它其實就是SOP零件的小型化，所以才叫mini，有著雙排鷗翼的焊腳，只是其尺寸縮小了約20%，而厚度則減少了約40%，引腳間距(pitch)縮小到0.5mm~0.65mm左右，腳寬(width)則維持在0.225mm~0.3mm左右，引腳長度也跟著縮短，而0201的電阻長度大概是0.5mm。因為MSOP的引腳排列得更緊密，也增加了焊接的難度，所以它大多使用在16腳以下的零件。根據我自己的經驗，似乎從來沒有遇到過有MSOP發生錫裂的情形，因為這類IC的尺寸一般不是很大，焊點強度也還可以，它也不像MLCC是應力敏感零件容易破裂，更不會像IO零件必須經常接受外力插拔。而比較常見到的焊接不良幾乎都是空焊，因為焊腳容易被碰歪，造成不平整。

現在我們回來看這個案例。網友們在看過了苦主的問題描述與不良照片後，大多覺得這應該是材料間CTE彼此配合不當所造成。工作熊個人以為把問題全歸給CTE，就跟沒有說差不多。因為CTE幾乎是無法避免的問題，而且電子組裝工業發展了已經好幾十年，在材料的選用上幾乎已經是目前最恰當的了，所以CTE差異雖然可能造成錫裂，但實際會造成問題的並不多見。

另外，還有個網友甚至覺得這個斷裂應該是從焊腳的右側開始發生的，因為他看到圖片的最右側焊錫的外緣有個大裂紋的缺口。

但是以上這些討論似乎都無法直接說明為何這顆MSOP的焊錫會斷裂？所以~

談到這裡，如果你對電子零件焊錫斷裂的不良分析有興趣，歡迎可以來工作熊的部落格看看下面這幾篇文章：

• 電子零件掉落、BGA焊錫破裂問題文章整理
• 如何判斷BGA錫裂掉件是SMT工廠製程或是設計問題?
• 電路板零件掉落，該如何著手分析、判斷並釐清問題點

現在來說說~

工作熊個人自己對這個MSOP焊錫破裂的一些看法：

壹、關於不同材質間可能失配並造成焊錫破裂，這裡有三種比較可能的原因：

我們先來簡單說明一下：什麼是 CTE（熱膨脹係數）？自然界的大部分物體在受熱時會膨脹、遇冷時會收縮，這就是所謂的熱脹冷縮（雖然也有少數例外，例如水在 4°C 以下時反而會膨脹）。如果將兩種不同的材質結合在一起，而它們的 CTE 不一樣，那麼當溫度變化時，膨脹或收縮的程度不同，就會對接合處產生拉扯或擠壓的應力。這種情況就好比兩個人手牽手走路，當步伐的速率或步幅不一致時，彼此之間就出現互相拉扯的情形。

現在你對CTE應該有個大概的了解了，那接下來，我們就可以來進一步探討焊錫的三種CTE可能失配並造成錫裂的情形了：

1. 焊錫與焊腳間的CTE差異。大約 5.5~8.5 ppm/°C。

   首先，我們來看看焊錫與IC引腳之間的熱膨脹差異。由於苦主並未明確說明其使用的是何種合金成分的焊錫，但我們可以假設它使用的是業界最常見的無鉛錫膏SAC305。這種焊錫的CTE大約落在 22–25 ppm/°C 之間。

   而IC的引腳基本延伸自其導線架(leadframe)多半是以「銅」為基材，然後再經過鍍錫的表面處理。銅的CTE大約是 16.5 ppm/°C，比焊錫小一點。當產品經歷高低溫循環的時候，焊錫與銅之間就會產生不同步的熱膨脹與收縮，導致在交界處產生剪切應力（shear stress），特別是在低溫時候。相對之下，「焊錫」收縮得比較多，而「銅」則收縮得比較少，因為其CTE比較小，這樣就有小機率，會造成焊錫的拉裂。

   而業界為了增強焊點對這類熱應力的抵抗能力，一般會在焊錫中添加入微量的銀（Ag），以提高其韌性與抗疲勞強度。另外，也會添加微量的銅（Cu），藉此來提升焊錫的剛性與整體強度。

   如果你對於錫膏中的微量金屬元素的作用有興趣，可以來參考工作熊部落格的這篇文章：錫膏中添加銅銀鋅銻鉍銦等微量金屬的目的為何？

2. 焊錫與IC本體間的CTE差異。大約在 2-15 ppm/°C。

   接下來是焊錫與IC封裝材料之間的熱膨脹匹配問題。IC所使用封裝膠（mold compound）的CTE大約在 10–20 ppm/°C，比焊錫還低。

   這種材料雖然可以有效地限制銅引腳的位移，但其本身在加熱時也會膨脹，可能會對焊點產生側向的推力或拉力，進一步造成焊點上的應力集中。不過，這類封裝材料已經被廣泛的使用了數十年，製程也相當地成熟，材料性能也很穩定，檢視整體結構材料，反而會發現封裝膠的CTE是最小的。

3. 焊錫與PCB板材間的CTE差異。大約在 5~11ppm/°C。

   最後一個也是最值得注意的，是焊錫與 PCB 板材 間的熱膨脹差異。

   標準 FR-4 材料在 Tg（玻璃轉移溫度）以下 的 Z 軸熱膨脹係數（α1/z-CTE）大約是 70–120 ppm/°C，且XY軸平面方向的CTE大約是在 14–17 ppm/°C。然而，一旦溫度超過 Tg（例如在回焊階段），其 Z 軸的 α2-CTE 就會急速上升到 190–300 ppm/°C，甚至更高。這是整個系統中 CTE 最劇烈的部分。不過還好，在回焊的過程中溫度雖然會超過 Tg 值，但那時的焊錫還處於熔融或未完全固化的狀態，因此，不容易產生錫裂。但真正的考驗來自於產品在市場上的使用階段，即使環境溫度不會超過 Tg 值，但如果長時間經歷溫度循環，仍然會反覆地造成焊點的上下或側向移動，產生撕裂力，可能會造成疲勞損傷。還好，雖然 PCB 在 Z 軸方向的 CTE 很高，但電子零件通常都是一整顆被安裝在同一片 PCB 的表面上，相對而言，PCB 的整體膨脹就會顯得相對均勻，因此不太會直接拉扯到單一焊點，造成應立集中的問題。只有當 PCB 表面出現 溫度分布不均（例如局部加熱或冷卻），導致同一顆零件的各個焊點的膨脹量不同時，才可能出現焊點扭曲與應力集中。實際應用上，焊點的品質更容易受到 PCB 的 X-Y 平面方向的 CTE 影響，因為它會產生剪切應力且直接作用在焊點上。為了抑制這類熱膨脹，FR-4 在材料中充分地使用了玻璃纖維 (glass fiber)，大大的限制了其 X-Y 軸的膨脹係數，提高整體的機械穩定性，而PCB的Z方向則由於多層疊板的結構，而難以被有效控制。

綜合以上，現在~

我們來小結一下CTE造成錫裂的可能性：

一般來說，只有當不同材質（例如PCB基板、電子元件、錫膏）間的CTE差距超過 10-15 ppm/°C 時，焊點在高低溫循環變化下，才比較容易產生應力集中，進而引發錫裂。而以上三種不同材質互相搭配的CTE差異都在 15ppm/°C 以下，基本上都還在可控範圍內，如果再加上錫膏的成分選用得當，使用鉍(Bi)系列的低溫錫膏例外，工作熊不敢說CTE絕對不會造成錫裂，但可以確認發生的機率不高。

貳、接下來，我們來看看，當我們在遇到這類焊錫破裂時，該如何處理？

第一個步驟：先收集資訊
取得正確的資訊很重要，因為不足的資訊與錯誤的資訊都會導致錯誤的判斷。而這必須是過來人才有的經驗談，可惜很多人都不重視。
資訊的取得一般可以運用5W1H的六何法，要盡可能詳細。

第二個步驟：取得不良品，盡可能地保存證據以利後續分析
有很多時候，我們所接收到的抱怨都只是不良現象的描述，比較好的，可能還會附帶照片。不過這些不良現象的描述與照片大多會帶有當事人強烈的個人偏見與侷限性，很容易出現以偏概全的情形。比較好的方法是取得不良電路板的實板，如果可以連同當時出事的所有相關裝置都保存就最好了。就算零件已經完全掉落，建議最好也要取得掉落的零件，這樣才能有對照組來作完整的分析。

第三個步驟：檢查焊錫性、檢視IMC是否完整

檢視IMC的狀況，是為了要判斷焊接品質是否存在瑕疵，IMC生長如果有瑕疵，則表示焊接製程可能有問題，有可能是溫度profile設置不當，或是製程紀律管理不當，當然也不排除有零件焊腳或是PCB的表面處理出現氧化的情形。

而檢視焊接品質的關鍵因素就是評估IMC的生長是否完整，IMC必須要在金屬介面處均勻生長，才算健康。以這個案例來說，IMC會長在兩個地方，分別是焊錫與PCB焊墊的交界處，以及焊錫與MSOP焊腳的交界處。

(請注意：想要檢視IMC通常得做切片後才能檢查。由於苦主所提供的原始切片照片的解析度有限，所以我有透過AI來讓照片變得更清晰，但為了避免AI處理過的照片失真，所以我將AI處理前後的照片都放上來給大家一起參考。)

從這兩張照片中，我們可以看到在焊錫與PCB焊墊交界處的IMC生長得非常良好，這表示回焊製程的溫度曲線及表面處理都沒有出現任何問題。而生長在焊錫與MSOP焊腳交界處的IMC，則因為焊錫破裂而較難判斷，但依稀還是可以看到焊腳底部有IMC的存在，不過我們還是可以藉由觀察MSOP焊腳側面的IMC是否有生長出來，以及是否分布均勻來判斷健康度。從照片看來MSOP焊腳側面的IMC生長基本上沒有問題，再加上我們先前也已經確認過整個回焊製程也沒有問題，所以我們可以大膽的推論生長在焊錫與MSOP焊腳交界處的IMC也是正常的。

而這也是我一直強調的焊接觀念，IMC是焊接過程的必然產物，卻也是整個焊接結構中最脆弱的一環，IMC就像我們在堆砌磚牆時連接兩塊磚頭之間的水泥黏合劑，但水泥也是整片磚牆中最脆弱的位置。

對IMC議題有興趣的朋友可以回頭來複習一下工作熊之前做過的這幾篇文章與影片：

• 為什麼IMC已經形成有效焊接但零件掉落還是發生IMC層斷裂之觀念澄清
• 何謂IMC (Intermetallic Compound)？IMC與PCB焊接強度有何關係？IMC厚度有IPC標準？
• 《Youtube》什麼是 IMC (Intermetallic Compounds, 介金屬共化物)？何以說IMC是PCB焊接的必然產物？

第四個步驟：檢查焊錫破裂的情形

根據苦主所提供的照片，觀察其焊錫破裂的情形。個人推測錫裂最先破裂的位置應該是從MSOP焊腳底部與焊錫交界處的IMC開始的，因為焊錫完全斷裂只發生在焊腳底部的IMC處，而焊腳兩側雖然也有破裂現象，但還沒有到完全斷開的程度，而這也是為何苦主在描述問題的時候說：「高低溫測試後，產品的功能測試還是正常」。而這個現象也可以直接印證我們剛剛說的：「IMC是整個焊接結構中最脆弱的一環」。其實MSOP零件應該有多根的引腳，如果可以的話，最好要同時觀察其他的引腳是否也有錫裂的現象，來得到更多的資訊。可惜苦主就只提供了一張剖面的照片。

參、工作熊個人觀點

苦主說這個錫裂是他們執行了1,000次高低溫循環測試後所出現的問題，而千次的高低溫循環對於一般商用產品來說，其實是有點給它太過嚴苛了。一般來說，我們會模擬貨櫃船運在白天遭受太陽高溫、晚上輻射低卻出現低溫的循環，而信賴度測試中較常見到的循環次數為5次。

就我個人的了解，千次的高低溫循不是沒有人用，而是大多使用在封裝IC零件本身的可靠性驗證，或是汽車產業的某些關鍵零組件、航太工業或軍工產品等需要高可靠性的設備上。

至於為何高低溫循環驗證後，在產品功能正常的情況下仍然需要做破壞性的切片檢查，我個人是沒有遇到過啦，也或許是苦主在驗證後做例行外觀檢查焊點時，發現有錫裂的情形，於是主動做切片來檢查，想要追求一個真相。

肆、推測焊錫破裂的可能原因

由於我們已經從 IMC 的觀察結果，推斷出焊錫本身的品質並沒有問題，也排除了不同材料之間的 CTE（熱膨脹係數）不匹配所可能造成的影響，因此目前就只剩下「機械或熱應力」作為可能的原因。

根據我個人的經驗，在高低溫循環測試中，PCB 的彎曲變形往往會因為多層板內部的 via 孔與銅箔分布不均，最終導致整板在熱脹冷縮過程中受力不一致，最終產生反覆性的彎曲與形變。這些結構變形會不斷對焊點施加循環應力，最終造成焊點疲勞並發生非等粗的枝叉狀裂紋。

如果使用的是低溫錫膏（LTS, Low Temperature Solder），情況會更為嚴重，因為低溫錫膏的焊錫強度與耐熱能力原本就比較差，而且比較脆，所以，低溫錫膏的錫裂不一定只會發生在IMC處。此外，越薄的PCB，其變形量也就越嚴重。（澄清一個觀點：LTS錫鉍銀合金的CTE大約在21~23 ppm/°C (需要再確認)，而 SAC305 的 CTE 大約在 22~25 ppm/°C (需要再確認)，兩者的差異其實不大，會造成錫鉍銀較SAC305容易脆裂的主要原因為其晶粒結構差異，這裡不詳述。）

另外，這類錫裂也經常出現在距離PCB鎖付或固定於機殼有一段距離的零件，因為該位置沒有被螺絲鎖定或機構固定。當產品外部受力或遭受到溫度變化發生時，機殼往往會先發生變形，進而牽動 PCB 彎曲，最終造成鄰近焊點受損。

伍、可能對策：

知道了焊錫破裂最可能原因來自PCB彎曲變形後，我們就可以來對症下藥了：

• 從設計變更著手：

  建議要透過CAD來作整機及PCBA的應力模擬分析，來找出變形量較大的位置，從機構上做設計變更，來降低PCB的變形量，比如增加或變更鎖付螺絲位置，或是將不耐應力的零件避開變形量較大的區域，或是在機殼上增加肋條來改善強度，或是選用剛性較佳的PCB。

• 從製程著手-添加Underfill：

  
  在製程上，很多人會選擇使用 Epoxy 或是 Underfill(底部填充膠) 來固定並強化焊點或零件本體。只不過，根據個人經驗，點 Epoxy 或 underfill 膠通常都只能延緩錫裂的時程，最終還是會發生錫裂，除非造成錫裂的應力剛好就在焊錫強度的margin邊緣，但外部應力通常是最難以準確評估與預測的，到了最後該發生的錫裂還是會發生，而且會連 Epoxy 或 Underfill 膠都一起裂開。當然，如果這只是個短期止血措施，或是你只想撐過保固期，不在意使用者體驗，就當我沒說。

• 其實，最好的解決對策，還是得想辦法找出並驗證錫裂的真因，然後對症下藥從根本解決，否則欲蓋只會彌彰，問題早晚都還是會發生的。

好了，以上就是我們今天的節目。請注意：以上的討論很多都是基於假設，因為苦主自從貼出問題與照片後就失聯了。而且工作熊也不敢說自己的看法就一定是正確的，如果你有自己的看法，也非常歡迎你提出來討論。

工作熊還是得提醒大家注意，以上的論述及問題的會應不一定就是正確的解答，因為苦主就只提供了一張剖面切片圖，對於問題的描述也可能不完全，所以我們看到問題也可能只是整個問題中的冰山一角，很容易瞎子摸象，就更不用說依此而回答的問題了，而且工作熊個人的見解也不一定就是最正確的，只是提供個人見解給大家參考，大家當個故事看就好。當然，如果你有自己的看法，也非常歡迎你提出來討論。

YouTube影片：MSOP高低溫度循環測試後出現錫裂的可能原因探討

Podcast：EP025-MSOP高低溫度循環測試後出現錫裂的可能原因探討

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