電路板虛焊的主要成因及解決辦法

劉 博

（航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽 471000）

1.電路板虛焊的定義

虛焊是指焊料與器件的引腳和焊盤之間沒有形成金屬化物層（IMC），只是簡單地依附在焊接件表面所形成的缺陷。IMC 的厚度直接決定了焊接的質(zhì)量[1]。一般認(rèn)為，當(dāng)IMC 厚度在1.5um ～3.5um 時(shí)，焊點(diǎn)具有良好的強(qiáng)度和電氣連接的性能。當(dāng)IMC 厚度小于0.5um 時(shí)，由于IMC 太薄，幾乎沒有強(qiáng)度，當(dāng)IMC 厚度大于4um 時(shí)，由于IMC 太厚，連接處會失去彈性，極易使焊點(diǎn)產(chǎn)生開裂。

潤濕也是虛焊的一個(gè)判斷依據(jù)，潤濕角是指焊料與母材之間的界面和焊料融化后焊料表面切線之間的夾角θ[2]。當(dāng)30°<θ<45°時(shí)，焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度最好。55°<θ<90°時(shí)，焊接的強(qiáng)度降低，液態(tài)釬料和集體金屬表面之間缺乏潤濕親和力，潛伏著虛焊的危險(xiǎn)性。當(dāng)θ>90°時(shí)，表示不潤濕，會產(chǎn)生虛焊。

2.電路板虛焊的檢測方法

虛焊的表現(xiàn)形式有很多，比如使焊點(diǎn)成為有接觸電阻的連接狀態(tài)；比如連接時(shí)通時(shí)不通；比如有的焊點(diǎn)開始時(shí)尚好，但在電路工作長時(shí)間后，受溫度、濕度、振動等環(huán)境條件的影響，接觸表面逐漸被氧化，接觸變得不完全，導(dǎo)致電路工作不正常。

因?yàn)楸憩F(xiàn)形式的多樣性，虛焊的檢測方法也呈現(xiàn)多樣性，具體有如下幾種。

（1）直接觀察法：采用目視或者3D 數(shù)字顯微鏡對同側(cè)焊點(diǎn)進(jìn)行觀察，如果有部分焊腳翹起，說明該處焊點(diǎn)狀態(tài)異常，可能發(fā)生了虛焊。直接觀察法是最廣泛使用的一種非破壞性檢查方法，對部分表面焊接缺陷檢測效率較高，比較依賴操作者的工作經(jīng)驗(yàn)，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，容易誤檢、漏檢，無法檢出焊點(diǎn)內(nèi)部隱藏的缺陷。如圖1 所示。

圖1 數(shù)字顯微鏡下焊點(diǎn)虛焊

（2）晃動法：在外觀檢查中發(fā)現(xiàn)有可疑現(xiàn)象時(shí)，可用手、牙簽等工具對焊接部位進(jìn)行輕輕撥動，感覺元件有松動跡象，可判斷有虛焊。

（3）補(bǔ)焊法：在目視檢查時(shí)并未發(fā)現(xiàn)虛焊，但是通過手工補(bǔ)焊的方法，將該器件的功能恢復(fù)正常，證明該器件的焊點(diǎn)存在虛焊。

（4）讀寫測試法：使用trace32 等輔助測試工具，當(dāng)訪問存儲器的地址時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)跳動，證明該器件發(fā)生了虛焊。

（5）X 光檢測方法：當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)有空洞時(shí)，根據(jù)IPC610標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)界規(guī)定，單個(gè)氣泡面積占比不得超過焊球面積的15%，所有空洞面積占比最高不得超過焊球面積的30%，如超出標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為發(fā)生虛焊[3]。這類焊點(diǎn)外觀正常，又有電氣連接，但在工作時(shí)，會因結(jié)構(gòu)缺陷而產(chǎn)生較大的工作電流，使焊點(diǎn)工作負(fù)荷較大，加之焊錫附著力小，使焊點(diǎn)的可靠性嚴(yán)重降低[4]。

（6）金相分析法：這是一種破壞性的分析方法[5]。使用金相分析的辦法檢測金屬化物層時(shí)，當(dāng)開裂發(fā)生在焊料和器件引腳端，一般是引腳氧化或者表面有雜質(zhì)，如圖2所示；當(dāng)開裂發(fā)生在焊料本身，是焊點(diǎn)疲勞所致，如圖3所示；當(dāng)開裂發(fā)生在PCB 端，是PCB 焊盤表面有雜質(zhì)。

圖3 焊點(diǎn)開裂（焊料本身）

3.電路板虛焊的成因及解決辦法

3.1 器件氧化導(dǎo)致的虛焊及解決辦法

現(xiàn)場問題：器件在長時(shí)間存放后，引腳發(fā)黃，表面氧化，或引腳上存在雜質(zhì)、灰塵等污染物使得引腳變得不干凈，造成引腳可焊性特別差。在錫膏融化時(shí)，由于氧化層或者污染物的存在，焊錫與被焊引腳產(chǎn)生隔離，不能生成良好的金屬化合物，使得引腳與焊盤沒有明顯的連接，形成虛焊[6]。

產(chǎn)生的原因：部分元器件停產(chǎn)斷檔、采購困難，有些來料不符合質(zhì)量要求；元器件、PCB 板的存放條件及環(huán)境問題也給可焊性帶來風(fēng)險(xiǎn)。

改進(jìn)措施：加強(qiáng)采購元器件來料質(zhì)量的把控，確保庫存元器件密封保存。按規(guī)范要求，做好PCB 板的入所檢驗(yàn)及包裝要求，器件引腳嚴(yán)格執(zhí)行100%焊前搪錫措施。

3.2 器件的共面性不好導(dǎo)致的虛焊及解決辦法

現(xiàn)場問題：航空產(chǎn)品生產(chǎn)中鷗翼形封裝器件較多，常見的封裝有QFP、TSOP 等，雖然鷗翼形封裝器件本身的焊裝工藝并不是特別復(fù)雜，但由于引腳多（最多304 個(gè)）、引腳間距細(xì)（最小中心間距0.3mm）、引腳形狀易變形等特點(diǎn)導(dǎo)致器件共面性差導(dǎo)致虛焊。

產(chǎn)生原因：器件來料有一定的不良率，而且在周轉(zhuǎn)運(yùn)輸、整形、搪錫等生產(chǎn)過程存在一定風(fēng)險(xiǎn)。如訂貨數(shù)量原因不能整包發(fā)貨，鷗翼形封裝器件在二次包裝過程存在引腳受損風(fēng)險(xiǎn)；因配套數(shù)量原因，庫存器件需要重新點(diǎn)數(shù)、發(fā)放，分發(fā)、清點(diǎn)過程存在引腳受損風(fēng)險(xiǎn)；部分器件有二次篩選過程，存在引腳受損風(fēng)險(xiǎn)[7]。

改進(jìn)措施：二次分裝過程中，使用真空吸筆移動器件，使用原托盤包裝并確保運(yùn)輸過程中器件不會產(chǎn)生位置移動；加強(qiáng)二次篩選過程中器件包裝及引腳保護(hù)要求，國產(chǎn)器件進(jìn)行原廠二次篩選；落實(shí)器件焊裝前進(jìn)行共面性檢查及引腳整形；對嚴(yán)重共面性問題需要退庫處理；明確要求使用共面性檢測儀對器件引腳的共面性進(jìn)行檢測，對共面性缺陷的器件進(jìn)行手工整形，整形后再次檢測，直到共面性合格。

3.3 器件的封裝尺寸與焊盤尺寸不一致導(dǎo)致的虛焊及解決辦法

現(xiàn)場問題：器件尺寸與焊盤尺寸不適配的情況下，非常容易造成虛焊。引腳與焊盤接觸面積太小或根本無法接觸，無法形成有效連接，形成虛焊[8]。

產(chǎn)生原因：器件缺乏統(tǒng)一管理，建庫審核流程不規(guī)范；器件選型與實(shí)物封裝不匹配；缺乏DFM 審查軟件和工具。

改進(jìn)措施：落實(shí)元器件庫統(tǒng)一建庫及管理；加強(qiáng)PCB 設(shè)計(jì)的器件選用匹配性及檢查，落實(shí)電路板DFM 審查軟件。

3.4 短管腳的直插件的虛焊及解決辦法

現(xiàn)場問題：某型電路板上直插編程插座為手工焊接，出現(xiàn)虛焊的概率很高，但目視無法發(fā)現(xiàn)，有時(shí)多次重焊也無法解決。用X-RAY 檢測后透錫率只有10%左右，檢查發(fā)現(xiàn)該插座安裝后插針基本與印制板焊接面平齊。

產(chǎn)生原因：航空產(chǎn)品的特殊應(yīng)用場合和很多特殊的要求，編程插座、PGA 管腳的封裝，引腳有時(shí)是負(fù)引出，甚至是無引出的狀態(tài)[9]。電路板這樣的結(jié)構(gòu)極易造成手工焊接時(shí)引腳潤濕不良，無法形成良好的電器連接。

改進(jìn)措施：將編程插座的焊接方式由手工焊接更改為選擇性波峰焊接。手工焊接的焊接效率低，焊點(diǎn)質(zhì)量受人為因素影響較大，過于依賴操作者的工作技巧和熟練程度，透錫率難以保證。而選擇性波峰焊能根據(jù)焊點(diǎn)的不同情況，對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，對每個(gè)焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行精確控制，使得焊點(diǎn)質(zhì)量達(dá)到最佳。一般來說，手工焊接的溫度規(guī)定在（240±10）℃，波峰焊接的溫度為（250±5）℃。經(jīng)試驗(yàn)，該編程插座經(jīng)選擇性波峰焊，焊接效果良好，透錫率超過75%，虛焊問題得到了解決。

3.5 焊料疲勞導(dǎo)致的虛焊及解決辦法

現(xiàn)場問題：電路板上電出現(xiàn)操作系統(tǒng)不啟動的現(xiàn)象，輕壓某芯片后故障消失，定位為焊點(diǎn)失效。經(jīng)試驗(yàn)檢測，確認(rèn)為焊料疲勞失效，降低了焊點(diǎn)強(qiáng)度，導(dǎo)致個(gè)別焊點(diǎn)完全開裂，形成虛焊。

產(chǎn)生原因：元器件和印制板在長期使用的過程中，由于器件功率和環(huán)境溫度周期變化，引發(fā)產(chǎn)品溫度分布不均勻，而且器件和PCB 熱膨脹系統(tǒng)不同[10]。在熱膨脹時(shí)，焊點(diǎn)產(chǎn)生交變的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起焊點(diǎn)的熱疲勞失效。

改進(jìn)措施：采用與印制板熱膨脹系數(shù)接近的加固膠，減少芯片焊點(diǎn)受力，以延長焊點(diǎn)的失效周期，可顯著提升芯片的焊點(diǎn)壽命。經(jīng)跟蹤，用加固的方法可以有效控制該芯片的虛焊問題。

4.結(jié)語

受國際形勢的影響，物料的品質(zhì)不能保證、工藝方法待優(yōu)化、可制造性設(shè)計(jì)審核不完善等因素導(dǎo)致航空電子電路板虛焊，虛焊會影響產(chǎn)品的使用壽命。器件虛焊原因很多，如可焊性不好、引腳變形、PCB 焊盤設(shè)計(jì)的規(guī)范性不夠、焊料疲勞失效等，本文中對這幾種原因引起的虛焊提出了解決措施，后續(xù)還會不斷探索。