虛焊成因分析與改進(jìn)措施簡(jiǎn)介

摘 要：虛焊是電路失效的一種主要形式，將對(duì)電子產(chǎn)品在服役過(guò)程中的可靠性造成嚴(yán)重影響。本文介紹了虛焊產(chǎn)生原因，詳細(xì)介紹了在電路設(shè)計(jì)、物料管理、組裝焊接到產(chǎn)品服役幾個(gè)階段中導(dǎo)致虛焊產(chǎn)生的潛在因素，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。從而為提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性提供參考。

關(guān)鍵詞：虛焊部位；虛焊原因；可靠性；改進(jìn)措施

0 引言

近年來(lái)隨著電子產(chǎn)品制造工藝的不斷提升，電子產(chǎn)品的質(zhì)量已有很大的提高。但由虛焊引起焊點(diǎn)失效從而導(dǎo)致整機(jī)出現(xiàn)故障的情況仍存在于部分電子產(chǎn)品中。據(jù)統(tǒng)計(jì)工廠近5年外廠返修設(shè)備中，由虛焊導(dǎo)致故障的共有48例。尤其當(dāng)前電子產(chǎn)品的器件密度和功能密度越來(lái)越高，虛焊不僅對(duì)產(chǎn)品可靠性埋下嚴(yán)重的隱患，而且出現(xiàn)故障后的返修檢測(cè)也十分困難。所以深入認(rèn)識(shí)虛焊產(chǎn)生原因，以便制定改進(jìn)措施，在設(shè)計(jì)、制造等源頭消除虛焊隱患顯得十分重要。

對(duì)于虛焊的形成，一個(gè)主要的原因是待焊金屬表面的氧化物和污垢造成的。金屬表面氧化物和污垢將導(dǎo)致焊接形成的“虛焊點(diǎn)”產(chǎn)生有接觸電阻的連接狀態(tài)，使電路工作不正常，出現(xiàn)時(shí)好時(shí)壞的不穩(wěn)定現(xiàn)象。虛焊點(diǎn)還會(huì)使電路中的噪聲增加并且沒有規(guī)律，給電路的調(diào)試、使用和維護(hù)帶來(lái)了重大隱患。此外虛焊產(chǎn)生的另一個(gè)重要原因是焊點(diǎn)后期失效。產(chǎn)生該狀況的原因是焊點(diǎn)在服役期間，會(huì)經(jīng)歷周期性的開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)致焊點(diǎn)溫度發(fā)生升降變化（相當(dāng)于經(jīng)歷溫度循環(huán)和溫度沖擊）產(chǎn)生熱應(yīng)力，以及受到振動(dòng)沖擊等外界動(dòng)態(tài)因素影響產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致焊點(diǎn)產(chǎn)生裂紋，形成虛焊點(diǎn)，最終失效。

經(jīng)長(zhǎng)期總結(jié)發(fā)現(xiàn)虛焊成因廣泛分布于電路設(shè)計(jì)、物料管理、組裝焊接以及產(chǎn)品服役幾個(gè)階段。對(duì)上述階段中的影響因素進(jìn)行分析并進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)避免產(chǎn)生虛焊有重要意義。

1 電路設(shè)計(jì)中的虛焊影響因素

在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，器件的布局對(duì)虛焊的形成將產(chǎn)生影響。例如大中功率或靠近大功率的元器件引腳容易由于熱脹冷縮導(dǎo)致各引腳應(yīng)力不均勻，及元器件發(fā)熱產(chǎn)生的高溫引起焊點(diǎn)焊錫變質(zhì)，引發(fā)虛焊。特別是安裝在緊固散熱片上的元器件虛焊的可能性更大。這種情況下虛焊主要產(chǎn)生在焊點(diǎn)中間。所以包含大功率器件的印制板在布局時(shí)，應(yīng)減少功率器件附近元器件的布局密度，適當(dāng)加大功率元器件的散熱面積，加快功率器件熱量外排。

在PCB布線中，元件腳旁有金屬化過(guò)孔，會(huì)使部分焊錫熔化時(shí)流入過(guò)孔，導(dǎo)致所形成的焊點(diǎn)錫量不夠，容易形成虛焊點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將金屬化過(guò)孔放置在離貼片元件較遠(yuǎn)的地方，躲開焊點(diǎn)。

2 物料管理中的虛焊影響因素

2.1 印制板對(duì)虛焊產(chǎn)生的影響

印制電路板儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、儲(chǔ)存環(huán)境潮濕或在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中保護(hù)不當(dāng)容易導(dǎo)致的焊盤氧化，使焊盤的潤(rùn)濕性下降，以致在焊接后產(chǎn)生虛焊，通常這種情況虛焊產(chǎn)生于印制板與焊點(diǎn)接觸的部位。印制板的翹曲變形，將會(huì)引起焊膏印刷的厚度不一，部分焊盤上焊膏涂覆過(guò)少，從而引起焊接不良。

2.2 元器件對(duì)虛焊產(chǎn)生的影響

元器件在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中，很容易有引腳（或BGA的焊球）氧化，焊料很難與焊盤之間形成牢固的冶金結(jié)合，從而引起虛焊導(dǎo)致焊點(diǎn)不能提供持續(xù)可靠的電氣性能。

2.3 焊料對(duì)虛焊產(chǎn)生的影響

焊料儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者溫度過(guò)高，容易導(dǎo)致焊膏變質(zhì)，或焊膏在解凍時(shí)攪拌時(shí)間不夠，活化劑未能活化，都將會(huì)引起焊點(diǎn)失效。該種類型導(dǎo)致的焊接缺陷通常會(huì)批次性的暴露出來(lái)。

所以在物料管控階段，對(duì)焊料、元器件、線路板等采用開包即用原則，避免元器件引腳、線路板的銅焊點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中形成氧化層，影響焊接合金層的形成，容易產(chǎn)生虛焊，沒用完的元件、線路板及時(shí)包裝密封。

3 焊接過(guò)程中的虛焊影響因素

3.1 回流焊對(duì)虛焊產(chǎn)生的影響

回流焊的溫度曲線中任何一個(gè)溫區(qū)設(shè)置不合理都會(huì)對(duì)產(chǎn)生虛焊埋下隱患。以典型的Sn63Pb37焊膏回流為例，在預(yù)熱區(qū)升溫過(guò)快會(huì)造成焊料飛濺，形成焊料球以及焊料不足的焊點(diǎn)。 在保溫階段，若時(shí)間設(shè)置不合理，會(huì)造成由于PCB、元器件溫度不均，導(dǎo)致冷焊、芯吸，橋連。并且在該階段焊膏中的活化劑開始作用，清除元器件焊接面或引腳、焊盤、焊粉中的氧化物及污染物，不過(guò)，焊盤、焊膏、元器件焊接面在在加熱和風(fēng)吹的條件下更易氧化，若保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊膏中的活化劑可能消耗完，反而使回流性能變差，所以該溫區(qū)需精確設(shè)置?；亓鲄^(qū)，焊料開始熔化，對(duì)焊盤和元器件焊腳發(fā)生潤(rùn)濕，產(chǎn)生冶金結(jié)合，加熱時(shí)間長(zhǎng)PCB和元器件容易損壞，回流溫度低，加熱時(shí)間短，焊料熔化不充分，焊接效果不好，會(huì)產(chǎn)生虛焊、冷焊等焊接缺陷。冷卻區(qū)，冷卻速度太大，容易造成焊點(diǎn)區(qū)域熱應(yīng)力較大，引起裂錫、脆化，并累積焊接殘余應(yīng)力，容易造成焊點(diǎn)產(chǎn)生裂紋。

所以回流焊接前須對(duì)回流焊接溫度曲線進(jìn)行深入研究，精細(xì)化控制，才能避免該階段對(duì)虛焊造成的影響。

3.2 手工焊對(duì)虛焊產(chǎn)生的影響

在手工焊接時(shí)，若焊接時(shí)間過(guò)短，焊錫未充分熔融，容易冷焊，形成虛焊點(diǎn)。若焊接頭溫度過(guò)高或過(guò)低，焊接表面有氧化層，也容易形成虛焊點(diǎn)。助焊劑的還原性或者用量不夠，未能完全清潔焊接面，也會(huì)導(dǎo)致虛焊。焊接中焊錫未凝固，被焊器件松動(dòng)，易發(fā)生虛焊。

4 產(chǎn)品服役過(guò)程中虛焊影響因素

印制板組件長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境下，容易引起焊點(diǎn)內(nèi)釬料合金顯微組織明顯粗化，導(dǎo)致焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度降低，導(dǎo)電性能變差，最后形成虛焊。

PCB基板與元器件的熱膨脹系數(shù)不匹配（FR4的CTE為18ppm/℃，硅芯片的CTE為2.8ppm/℃），在使用過(guò)程中容易導(dǎo)致焊點(diǎn)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋生長(zhǎng)，焊點(diǎn)容易失效，形成虛焊點(diǎn)。

若產(chǎn)品使用在高強(qiáng)度振動(dòng)環(huán)境中，焊點(diǎn)中容易產(chǎn)生應(yīng)力，將焊點(diǎn)拉裂。使焊點(diǎn)失效形成虛焊點(diǎn)。

所以，包含有大功率元器件的產(chǎn)品在工作時(shí)需要注意散熱。并盡量減少給產(chǎn)品帶來(lái)的溫度沖擊和振動(dòng)。

5 其他導(dǎo)致虛焊的影響因素

元器件本身的重量比較大，在安裝、搬運(yùn)、使用過(guò)程容易產(chǎn)生應(yīng)力，久后元件引腳就會(huì)逐漸與線路分離，產(chǎn)生虛焊。這種虛焊主要產(chǎn)生在焊點(diǎn)與焊盤中間。對(duì)體積、重量比較大的元器件固定處理，例如緊貼線路板、加膠水、支架等方式固定，對(duì)線路板做支架減震固定。

在經(jīng)常需要經(jīng)歷大電流高電壓沖擊的引腳處，焊點(diǎn)上的焊錫容易變得灰暗，并產(chǎn)生裂縫，形成虛焊。并且這種虛焊主要產(chǎn)生在焊點(diǎn)中間。所以使用在該場(chǎng)合下的焊點(diǎn)需做錫焊加固處理。

6總結(jié)

虛焊作為一種焊點(diǎn)失效形式，將對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。尤其在軍品中，焊點(diǎn)失效將容易導(dǎo)致武器裝備不能正常運(yùn)行，從而對(duì)國(guó)防安全帶來(lái)隱患。對(duì)生產(chǎn)單位而言，虛焊的產(chǎn)生不僅影響產(chǎn)品的性能，也會(huì)影響到一個(gè)企業(yè)的聲譽(yù)。必須把解決虛焊問題放在重要位置。

本文就虛焊產(chǎn)生的原因，以及在電路設(shè)計(jì)、物料管理、組裝焊接到產(chǎn)品服役幾個(gè)階段中導(dǎo)致虛焊產(chǎn)生的潛在因素進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)控制虛焊的產(chǎn)生有一定的指導(dǎo)意義。然而，導(dǎo)致虛焊的因素還有很多，還有待更深度地去研究和探討。

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作者簡(jiǎn)介：

黃宗英，男，工藝技術(shù)研究部，主任工藝師，研究方向?yàn)殡娮友b聯(lián)工藝、微組裝等。