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1.铅偏析
铅偏析发生在以锡铅焊料为钎料的焊接过程中，其中锡铅焊料是63%的锡和37%Pb的混合物。在实际的生成合金层的反应过程中只有Sn参与反应，Pb只起到填充的作用。随着反应的不断进行，反应区域钎料中的Sn不断与母材形成合金，导致该区域剩余的Pb的比例不断上升。当Pb的比例上升到一定程度时，该层的强度会大大下降，从而导致整个焊点的强度降低，可靠性下降。
此种铅偏析情况的特点是富铅层存在于合金层与焊料之间。解决方法是控制焊接的温度和时间，防止过度反应，从而减少铅偏析的程度。
某型号单板BGA在PCB侧断裂，焊料为Sn63Pb37，PCB表面处理为OSP，在剥离的焊盘表面发现存在富铅组织，如图2.4.1所示。
图2.4.1 富铅组织
对没有断裂的焊点进行切片，发现在合金层与焊料之间存在明显的富铅层，如图2.4.2所示。
图2.4.2 富铅层
2.磷偏析
磷偏析主要发生在经过ENIG表面处理的焊盘上，其根本原因是在化学镀NI的镀层中，由于工艺关系形成的ENIG的镍层并不是纯镍，而是含有一定P的Ni-P合金。而在焊接过程中，与锡基焊料形成合金层的只有Ni元素，P并不参与反应。当反应持续不断地进行时，表层的Ni与焊料中的锡不断形成合金，此位置的P的含量会不断增高，当反应进行到一定的程度时，表层会形成一定厚度的富P层。由于P是无机物，这层物质的强度相对比较差，如果富P层持续生长，就会对焊点的可靠性造成影响。
磷偏析的特点与铅偏析不同，其富磷层在Ni层和合金层之间。在切片分析时，会发现在镍层和合金层之间有明显的暗线，如图2.4.3所示。当对断面进行P元素的EDX线分析时，会发现该位置的磷含量明显偏高。
图2.4.3 磷偏析
1.Flit-lifting
Flit-lifting是指波峰焊接后，焊料在焊盘上起翘、剥离的现象，如图2.4.4所示。
图2.4.4 Flit-lifting现象
产生这种现象的其中一个原因是焊点各部分的热膨胀系数（CTE）不匹配，如图 2.4.5所示。一般PCB材料的X\Y向的CTE为15×10 -6 K -1 ，Z向的CTE达到45×10 -6 K -1 ，而一般锡基焊料的CTE为20×10 -6 K -1 ～30×10 -6 K -1 。这样，在焊点冷却过程中，由于各部分的CTE不平衡，特别是 PCB 纵向收缩大，而焊料的收缩相对比较小，因此会造成一定的内应力和形变。
图2.4.5 热膨胀系数（CTE）不匹配示意图
产生Flit-lifting的另一个原因是所使用的焊料是非共晶焊料，且有较大的糊状区。在一般的生产条件下，非共晶合金在冷却时一部分高熔点的物质会首先析出，并将近共晶的低熔点物质推向焊点内部和结合面。当高熔点物质凝固，而界面上的近共晶物质还处于液态时，如果此时焊点各部分有内应力，就会导致焊料与焊盘之间起翘、剥离，从而造成 Flit-lifting现象。所用焊料的糊状区越大，这种冷却过程中的非平衡凝固越明显，也就越容易发生这种问题。例如，当使用SnAgBi焊料或有铅无铅混装时，特别是用无铅焊料焊接锡铅镀层的元器件时，此问题比较容易发生。另外，有研究表明，当冷却缓慢造成焊点晶粒粗大时较容易发生此问题。
图2.4.6 Flit-lifting形成示意图
下面以锡基无铅焊料焊接锡铅镀层的器件来进行说明。在焊接过程中，通过润湿、扩散和溶解，锡铅镀层里的Pb溶解到焊料中，此时焊点中的焊料变成非共晶且糊状区较大的焊料。在冷却过程中，当处于正常生产条件下时，出现非平衡凝固的现象，表面熔点高的Sn（232℃）会首先以晶枝的形式析出，并把熔点低的近共晶液态物质逐渐推向后冷却的区域。随着此种效应的不断继续，所剩余的未凝固物质越来越接近共晶成分，其熔点也越来越低，直到被推到界面处，此时如果PCB焊盘和已经凝固的焊料之间由于CTE的不匹配而形成内应力，焊点就会沿着仍然是液体的部分裂开，形成Flit-lifting现象，如图2.4.6所示。
可以说Flit-lifting现象是由于金属冷却过程中的偏析现象和CTE不匹配造成的热应力共同作用产生的。
2.缩锡
我们俗称的“缩锡”的英文名叫作Shrinkage BGA Joint Crack，是在混装BGA的条件下产生的特有的一种失效形式。其特点是：
① 断裂的裂纹大部分发生在BGA焊球器件侧焊盘附近；
② 断裂的界面在合金层与焊球焊料之间；
③ 断裂面曲折但光滑；
④ 在断裂面附近往往有铅富集的现象。
缩锡现象如图2.4.7所示。
之所以将缩锡问题和Flit-lifting问题放在一起讨论，是因为两者的形成原因基本一致，即都是在焊点冷却过程中非共晶合金的偏析现象和机械应力或热机应力共同作用的结果。
在冷却过程中，高熔点物质从一侧焊盘先形核凝固，把含铅的低熔点物质向另一个界面方向推，当焊点的绝大部分已经处于固态，而另一界面处富集的近共晶的低熔点物质还处于液态时，如果BGA芯片有变形，就可能出现缩锡的缺陷不良。
缩锡和Filt-lifting现象中的偏析是在冷却过程中形成的，与前面讲到的在反应中形成偏析的形成机理不同。
图2.4.7 缩锡现象
为了防止缩锡的现象，可以采用以下方法：
① 使用半熔融的温度曲线，此时焊球不熔化，也不存在凝固的问题，因此可以避免缩锡现象；
② 使焊点晶粒更加细小（可以采用在焊料中添加特定的微量元素的方法）；
③ 减小焊点冷却的温度差（极快或极慢地冷却）；
④ 减少器件的变形；
⑤ 增加焊点的体积；
⑥ 尽量不采用ENIG焊盘（有研究表明，ENIG焊盘表面更容易形核，会加剧这种问题）。
但这些措施往往受到这样和那样的因素制约，无法达成目标。因此，BGA缩锡问题目前还是混装焊接中的业界难题之一。
从图2.4.8中可以看到，焊球好像与整个焊料连接在了一起，但实际上它只是放在没有形成金相连接的窝坑里。遇到过这种缺陷的用户担心的是，在检查或功能测试过程中，不是每次都会发现这种缺陷。因为这种缺陷往往在整个焊料和焊球之间形成局部连接，所以电路最后往往能够通过功能测试、光学检查和ICT测试。但是因为它没有形成真正的金相连接，所以焊点不牢固，焊接后进行的所有测试都合格之后，可能很快就会失效。在焊接工艺之后，存在球窝缺陷的电路板经常会在后续的组装工艺、运输过程中因为热胀冷缩而失效，或者在现场失效。球窝目前已经成为细小间距BGA和CSP焊接中常见的问题。
图2.4.8 球窝现象
在现场可以通过如下手段发现和定位球窝缺陷。
① 在X-ray下观察，缺陷器件的焊点比正常器件的焊点明显偏小。原因是由于焊球和焊料没有完全融合，导致问题焊点的坍塌高度不足。由于问题焊点的支撑作用，导致其他焊点也难以坍塌到正常高度，从而造成此现象，如图2.4.9所示。
图2.4.9 坍塌不足导致球窝
② 如果问题焊点在边缘，可以通过侧面光学显微镜看到此现象，如图2.4.10所示。
图2.4.10 边缘的球窝现象
③ 通过X-ray的2.5D功能也能确认比较明显的球窝缺陷，如图2.4.11所示。
图2.4.11 X-ray检查的球窝缺陷
④ 撬开芯片也能发现球窝缺陷，同时发现所谓的“窝”都出现在BGA焊球一侧，如图2.4.12所示。
图2.4.12 撬开芯片后的球窝缺陷
产生此问题的可能原因如图2.4.13所示。
图2.4.13 球窝缺陷的可能原因
针对这些原因，我们所采取的对策有：
① 控制来料的共面度和焊球的氧化程度；
② 减少芯片的热变形；
③ 采用活性或耐热性较强的锡膏；
④ 保证印刷和贴片的质量；
⑤ 使用适当的温度曲线；
⑥ 过炉时采用保护性气体的氛围。
金脆一般发生在以电镀镍金或化学镍金为表面处理方式的PCB上。其特点是断裂位置在合金层与焊料之间，一般在焊盘侧会找到Ni3Sn4的合金。如果焊盘上所焊接的器件引脚也是镀金的，则金脆问题就会更加显著，如图2.4.14所示。
图2.4.14 金脆现象
金脆的形成原因：在焊接过程中，焊盘和引脚表面的金会迅速溶解到焊料中，另有研究表明，当反复高温或在长时间使用的情况下，金原子会从弥散的状体逐步以（Au，Ni）Sn4的形式返回并聚集到界面处，当焊点中金的焊量超过3%时就会使此处的组织变脆，结合力下降。
为了克服金脆问题，可以控制PCB和元器件的镀金层厚度。对于有接触要求的元器件，可以采用局部电镀的方式，使得焊接的区域镀薄金，接触区域镀厚金。另外，可以通过增加焊点的体积，减少焊点中金元素的比例的方法来控制金脆问题的发生。
浸析是指焊接过程中基底金属或涂覆层的流失或去除，是焊接中固态元素向液态中的扩散行为。浸析是形成IMC不可缺少的环节。但在实际生产中，浸析往往是指焊盘溶蚀等不好的现象和结果。
在实际生产中曾发现某品牌的一个热敏电阻的墓碑现象非常严重，不良率达100%，如图2.4.15所示。当时生产线用的是普通的6337锡膏，印刷、贴片、回流等都没有异常。按照常规方法调整工艺参数没有明显效果。换用了集中锡膏、有铅Ag含量0.2%的锡膏、有铅Ag含量2%的锡膏、无铅SAC305锡膏，发现不良率依次递减，使用后两种锡膏基本没有不良。
图2.4.15 浸析现象
对该器件的镀层进行分析，发现器件的镀层成分是Ag-Pd镀层。而普通的电阻镀层一般是如下的三层结构。
① 内层Ag或Ag-Pd（80%Ag，20%Pd），厚度为20～30μm；
② 中间镀Ni或Cd，厚度为1～2μm，主要作用是阻止Ag离子迁移；
③ 外层镀Sn或Sn-Pb，厚度为1～2μm，用以改善焊接性，改善焊接处的耐湿性。
同时对墓碑器件进行分析，发现其电极出现较多空洞，有Ag-Pb镀层耗尽的现象，如图2.4.16所示。
图2.4.16 Ag-Pb镀层被耗尽
通过分析，原来Ag原子与Sn原子有相当好的亲合性。在缺乏中间阻挡层的情况下，直接在底层的Ag/Pd镀层上再流焊接，Ag原子迅速向熔融的Sn中迁移和扩散，底层Ag/Pd镀层将迅速耗损而不复存在，造成Sn与电阻体直接接触。而Sn熔液是不能润湿电阻体的。使用含Ag的锡膏，由于焊料中有一定的Ag含量，则Ag向焊料溶解的速度会变慢，而且焊料中Ag的含量越高，溶解的速度越慢。
由此可以看到，影响浸析的因素，一是固体与液态焊料的亲和性，二是液态焊料中的成分与固体成分的关系。另外，液态焊料是否是流动的，以及流动的速度也会对浸析的速度产生影响。