0 引言

在電子產(chǎn)品組裝領(lǐng)域，焊接和壓接是實(shí)現(xiàn)電性能連接和導(dǎo)通的兩種核心工藝方法。在印制電路板組裝（printedcircuitboardassembly，PCBA）中，軟釬焊因其加熱溫度低于450℃而被廣泛采用。然而，無論是在生產(chǎn)過程中還是產(chǎn)品服役后，焊點(diǎn)虛焊都是一種常見的故障模式。在電路設(shè)計(jì)和車間調(diào)試中，焊接問題通常都與虛焊有關(guān)。

1虛焊

1.1 虛焊的定義

根據(jù)航天標(biāo)準(zhǔn)QJ2828，虛焊是指在焊接過程中連接界面上未形成合適厚度的金屬間化合物（IMC）的現(xiàn)象。而《電子電路術(shù)語》（T/CPCA1001—2022）則將其定義為表面具有塊狀、褶皺或堆積的外觀，顯示出不正確的焊料流動(dòng)或潤(rùn)濕效果差的焊點(diǎn)。

1.2 金屬間化合物（IMC）

IMC是由兩個(gè)或更多金屬組元按比例組成的有序晶體結(jié)構(gòu)化合物。要實(shí)現(xiàn)良好的焊接效果，焊料成分和母材成分必須發(fā)生能形成牢固結(jié)合的冶金反應(yīng)，即在界面上生成適當(dāng)?shù)暮辖饘印Ｒ虼耍诤附咏缑嫔希琁MC的形成與否或者形成質(zhì)量好壞，對(duì)焊接接頭的機(jī)械、化學(xué)、電氣等性能有關(guān)鍵性的影響。某焊點(diǎn)內(nèi)部的金相顯微鏡如圖1所示。從內(nèi)部構(gòu)造看，IMC是連接兩種材料的關(guān)鍵，起著持久牢固的機(jī)械和電氣連接作用。沒有生成或者沒有形成良性的IMC，對(duì)焊點(diǎn)來說是災(zāi)難性的問題。

1.3 焊點(diǎn)上的IMC

IMC的生成對(duì)焊點(diǎn)的可靠性很重要，但I(xiàn)MC的生成并非一定能形成可靠的焊點(diǎn)。良好的IMC需要在焊接后焊點(diǎn)界面生成，且形態(tài)平坦、均勻、連續(xù)及厚度適中，見表1。由表1可知，IMC的厚度、外貌形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)都會(huì)影響焊點(diǎn)的可靠性。

2 造成虛焊的因素

焊接是一個(gè)涉及金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣之間相互作用的復(fù)雜過程。熔融的焊料在經(jīng)過助焊劑凈化后的金屬表面潤(rùn)濕、擴(kuò)散、溶解、冶金結(jié)合，并與兩個(gè)或多個(gè)被焊接金屬表面之間生成IMC，從而實(shí)現(xiàn)被焊接金屬之間電氣與機(jī)械連接技術(shù)。因此，虛焊（焊接不良）受到焊接材料、焊接溫度與時(shí)間、焊盤設(shè)計(jì)等相關(guān)方面的影響。

2.1 溫度與時(shí)間

2.1.1 冷焊

冷焊是指在焊接過程中，釬料與基體金屬之間未達(dá)到最低要求的潤(rùn)濕溫度，或者雖然局部發(fā)生了潤(rùn)濕，但冶金反應(yīng)不完全的現(xiàn)象。冷焊的外觀特征為錫膏未完全融化，呈顆粒狀；手工焊接焊點(diǎn)冷焊表現(xiàn)為焊點(diǎn)不光滑，焊料內(nèi)夾雜松香狀，也稱松香焊。如對(duì)冷焊的焊點(diǎn)進(jìn)行IMC金相分析，要么沒有生成合金層，要么合金層太薄（<0.5μm），表現(xiàn)為焊料未連接或焊點(diǎn)強(qiáng)度不足。

2.1.2 焊點(diǎn)脆化

IMC的厚度隨溫度和時(shí)間的增加而增加，呈一種非線性的函數(shù)關(guān)系，即溫度越高，IMC增加的厚度就越快，且溫度升高時(shí)，形態(tài)連續(xù)的IMC層有部分?jǐn)嚅_，焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)形成空洞。因此，PCBA在高溫試驗(yàn)環(huán)境中易造成焊點(diǎn)的熱疲勞，表現(xiàn)在加電測(cè)試時(shí)，故障焊點(diǎn)電阻會(huì)增大。隨著服役時(shí)間的增加，增厚的IMC層焊點(diǎn)更容易從焊點(diǎn)內(nèi)部不連續(xù)斷開，直至焊點(diǎn)開路失效，見表2。由表2可知，隨著試驗(yàn)板回流焊次數(shù)的增多，IMC層厚度及形態(tài)都發(fā)生了較大變化。

焊點(diǎn)脆化造成的故障一般不會(huì)在生產(chǎn)過程中或裝焊完后立刻顯現(xiàn)，大多數(shù)是在環(huán)境試驗(yàn)（如高溫、溫度沖擊試驗(yàn)）中或產(chǎn)品服役一段時(shí)間后，才會(huì)表現(xiàn)出來。其表現(xiàn)形式為電路信號(hào)時(shí)通時(shí)斷、忽強(qiáng)忽弱、衰減。

2.2 焊接母材的可焊性

可焊性是指熔融焊料潤(rùn)濕某種金屬的能力。印制電路板（printedcircuitboard，PCB）和元器件的可焊性是關(guān)鍵參數(shù)。PCB焊盤的鍍層工藝種類較多，焊盤常用的有熱風(fēng)錫鉛鍍層（hotairsolderleveling，HASL）和化學(xué)鍍鎳/浸金（electrolessnickelimmersiongold，ENIG）。如PCB加工過程或存儲(chǔ)不當(dāng)都會(huì)造成焊接過程中未形成合格的IMC。典型案例如ENIG加工問題，導(dǎo)致金層下的鎳層部分腐蝕，使后期焊接不良的“黑盤”現(xiàn)象。PCB和元器件鍍層的氧化或污染同樣會(huì)引起焊接不良問題。

2.3 焊點(diǎn)金脆

金（Au）是一種優(yōu)越的抗腐蝕性材料。它具有化學(xué)穩(wěn)定性高、不易氧化、可焊性好，耐磨、導(dǎo)電性好及接觸電阻小的優(yōu)點(diǎn)。金鍍層是抗氧化性很強(qiáng)的鍍層，與焊料有很好的潤(rùn)濕性。因此，在元器件和PCB焊盤鍍層上許多環(huán)節(jié)都用到金鍍層。但是，在需要軟釬接的部位上使用Au卻是有害的，會(huì)產(chǎn)生“金脆化”。“金脆化”是指在涂有金涂敷層的表面釬焊時(shí)，Au向焊料的錫（Sn）中迅速擴(kuò)散，形成Au-Sn化合物，如AuSn4。這種化合物為脆性化合物，在應(yīng)力作用下極易脆斷。當(dāng)Au的含量達(dá)到3%時(shí)，焊點(diǎn)會(huì)明顯表現(xiàn)出脆性，從而使焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度和可靠性下降。如圖3（a）所示的PCB焊盤工藝為電鍍厚金，金層厚度達(dá)到了1.27μm，回流焊后富集AuSn4的焊點(diǎn)形態(tài)。器件引線段未除金導(dǎo)致的焊點(diǎn)開裂如圖3（b）所示。

2.4 設(shè)計(jì)焊盤及孔徑

PCB上焊盤及孔徑設(shè)計(jì)的不合理，同樣會(huì)造成虛焊。不合理的焊盤尺寸和孔徑可能導(dǎo)致上錫困難，從而造成虛焊。

某司裝調(diào)生產(chǎn)過程中，曾發(fā)現(xiàn)多起因PCB上焊盤或孔徑不合理導(dǎo)致的虛焊。某產(chǎn)品在調(diào)試過程中，每一批次均發(fā)生了某項(xiàng)指標(biāo)不合格的情況。調(diào)試工人及設(shè)計(jì)人員對(duì)故障定位到某一器件上，但器件測(cè)試認(rèn)定合格。對(duì)該器件重新焊接后，測(cè)試指標(biāo)有好轉(zhuǎn)但仍不合格。高低溫和板子三防后測(cè)試時(shí)，該故障現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。經(jīng)過幾批次的生產(chǎn)，對(duì)焊盤尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，按工藝建議更改焊盤尺寸后，該故障問題徹底解決。

航空產(chǎn)品上某濾波器的PCB在裝配過程中，工人反映此焊盤及孔徑過小，上錫困難。工藝人員查閱了相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、器件資料及設(shè)計(jì)PCB圖，焊盤單邊尺寸（1.7272mm）遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的最小值（2.2000mm）。孔徑及焊盤比照見表3。這種焊盤在裝焊過程造成的虛焊，則不能靠后期生產(chǎn)中的工藝方法來解決。

3 控制虛焊的發(fā)生

3.1 生產(chǎn)的現(xiàn)狀

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，因IMC或金脆引發(fā)的焊點(diǎn)虛焊很難被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，更難以界定虛焊點(diǎn)是Cu6Sn5，還是Cu3Sn。部分焊點(diǎn)外觀良好，但當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)過一系列老化或環(huán)境試驗(yàn)后，產(chǎn)品功能異常，經(jīng)反復(fù)排查，才能最終確認(rèn)該焊點(diǎn)存在虛焊。

某公司PCBA組件產(chǎn)品在常溫下工作正常，在高低溫工作中始終不正常，無法判定其故障原因。后經(jīng)振動(dòng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)同一組件板上數(shù)個(gè)焊點(diǎn)有裂紋，才推論出可能是由于焊點(diǎn)IMC層過厚，導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)脆（同時(shí)電阻增大），產(chǎn)生故障，處理方式為報(bào)廢當(dāng)批產(chǎn)品。但生產(chǎn)中因IMC問題報(bào)廢產(chǎn)品不易執(zhí)行，IMC或金脆故障引發(fā)的焊點(diǎn)異常證據(jù)不容易獲得。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，需要把工作重點(diǎn)放在生產(chǎn)管理的“過程控制”和監(jiān)控記錄上，爭(zhēng)取通過合理的可制造性設(shè)計(jì)（designformanufacturability，DMF）設(shè)計(jì)、物料質(zhì)量控制、工藝管控或升級(jí)、生產(chǎn)過程管理等，減少虛焊的發(fā)生。

（未完，見下篇）

審核編輯 黃宇