電子裝聯(lián)中虛焊的成因及其控制措施

張曉強(qiáng)

（陜西烽火電子股份有限公司，陜西 寶雞 721006）

0 引言

在電子產(chǎn)品組裝中，通常依靠焊接和壓接兩種工藝方法，實(shí)現(xiàn)電性能的連接和導(dǎo)通。印制電路板組裝（printed circuit board assembly，PCBA）中的焊接為軟釬焊（美國(guó)釬焊學(xué)會(huì)定義加熱溫度＜450 ℃為軟釬焊），生產(chǎn)過(guò)程中或服役后的產(chǎn)品都經(jīng)常遇到一種故障，即焊點(diǎn)虛焊。在工作中，無(wú)論是電路設(shè)計(jì)，還是車間調(diào)試，只要是焊接問(wèn)題，通常都認(rèn)為是虛焊造成的。本文重點(diǎn)研究焊接中的虛焊成因及解決方案。

1 虛焊

1.1 虛焊的定義

樊融融［3］和航天標(biāo)準(zhǔn)QJ 2828 中對(duì)虛焊定義為：焊接過(guò)程中，凡在連接界面上未形成合適厚度的金屬間化合物（intermetallic compound，IMC）的現(xiàn)象，均可定義為虛焊?！峨娮与娐沸g(shù)語(yǔ)》（T/CPCA 1001—2022）對(duì)虛焊定義為：表面有塊狀、褶皺或堆積的外觀，并露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

金屬間化合物（intermetallic compound，IMC）是指兩個(gè)或更多的金屬組元按比例組成的具有金屬基本特性有序晶體結(jié)構(gòu)的化合物。要得到良好的焊接效果，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)暮辖饘樱?］。因此，在焊接界面上，IMC 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(méi)有生成或者沒(méi)有形成良性的IMC，對(duì)焊點(diǎn)來(lái)說(shuō)是災(zāi)難性的問(wèn)題。

圖1 焊點(diǎn)內(nèi)部的IMC

圖2 IMC的形貌

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。

表1 合格焊點(diǎn)IMC的要素

2 造成虛焊的因素

焊接是其金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣之間相互作用的復(fù)雜過(guò)程。熔融的焊料在經(jīng)過(guò)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

在焊接過(guò)程中，如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)不完全而導(dǎo)致的現(xiàn)象，可定義為冷焊。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(méi)有生成合金層，要么合金層太?。ǎ?.5 μm），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［2］。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。

表2 試驗(yàn)板回流焊IMC層厚度變化

焊點(diǎn)脆化造成的故障一般不會(huì)在生產(chǎn)過(guò)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(lái)。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（printed circuit board，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（hot air solder leveling，HASL）和化學(xué)鍍鎳/浸金（electroless nickel immersion gold，ENIG）。如PCB 加工過(guò)程或存儲(chǔ)不當(dāng)都會(huì)造成焊接過(guò)程中未形成合格的IMC。典型案例如ENIG加工問(wèn)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(wèn)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［1］。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1.27 μm，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。

圖3 金鍍層焊點(diǎn)

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。某司裝調(diào)生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題徹底解決。

航空產(chǎn)品上某濾波器的PCB 在裝配過(guò)程中，工人反映此焊盤及孔徑過(guò)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（1.727 2 mm）遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的最小值（2.200 0 mm）?？讖郊昂副P比照見表3。這種焊盤在裝焊過(guò)程造成的虛焊，則不能靠后期生產(chǎn)中的工藝方法來(lái)解決。

表3 標(biāo)準(zhǔn)焊盤孔徑及連接盤大小對(duì)照

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(guò)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(wú)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(guò)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(wèn)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(guò)程控制”和監(jiān)控記錄上，爭(zhēng)取通過(guò)合理的可制造性設(shè)計(jì)（design for manufacturability，DMF）設(shè)計(jì)、物料質(zhì)量控制、生產(chǎn)過(guò)程管理等，減少虛焊的發(fā)生。

3.2 物料質(zhì)量控制

物料是電子裝聯(lián)焊接過(guò)程中最根本和最基礎(chǔ)的構(gòu)成要素，它既包括元器件、PCB 這類加工材料，也包括焊膏、焊料、焊料、助焊劑、貼片膠、清洗劑等工藝材料/輔料［1］。焊接件的金屬表面氧化物和污物，是造成生產(chǎn)過(guò)程中上錫困難和虛焊直接、最重要的原因。因此，其質(zhì)量的好壞直接影響焊接成品質(zhì)量。在采購(gòu)、入庫(kù)、儲(chǔ)存、外包、流轉(zhuǎn)等生產(chǎn)過(guò)程的所有環(huán)節(jié)，都需要嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)和文件執(zhí)行物料質(zhì)量控制。

3.3 生產(chǎn)過(guò)程控制

為了滿足質(zhì)量要求和性能目標(biāo)，需不斷采取措施控制作業(yè)，以減少過(guò)程或產(chǎn)品的異常波動(dòng)。生產(chǎn)過(guò)程控制實(shí)際上還是按質(zhì)量體系要求中的人機(jī)料法環(huán)的要求實(shí)現(xiàn)的。對(duì)焊接不良的生產(chǎn)管控，有設(shè)備工具參數(shù)（如烙鐵焊接溫度）和人員操作控制（焊接時(shí)間及焊接次數(shù)）等因素?？勺匪萆a(chǎn)過(guò)程中設(shè)備工具運(yùn)行參數(shù)超標(biāo)或異常，幫助判斷故障。如果沒(méi)有有效的生產(chǎn)過(guò)程管控，PCBA的虛焊隨時(shí)都可能發(fā)生。

3.4 生產(chǎn)返工返修管控

焊點(diǎn)的返修會(huì)在不同程度上降低產(chǎn)品的可靠性。焊點(diǎn)返修時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱輸入，增加IMC 層的厚度，其厚度增加會(huì)降低強(qiáng)度；同時(shí)，在返修過(guò)程中，還可能會(huì)出現(xiàn)其他無(wú)法預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)我司質(zhì)量部門對(duì)功能失效的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中由焊點(diǎn)造成的產(chǎn)品失效品中，有＞60%為修理過(guò)的焊點(diǎn)。因此，如焊點(diǎn)滿足IPC 標(biāo)準(zhǔn)的外觀標(biāo)準(zhǔn)要求，則不可因部分瑕疵而盲目返修，返修前必須謹(jǐn)慎評(píng)估。

3.5 可制造性設(shè)計(jì)

可制造性設(shè)計(jì)（ddesign for manufacturability，DFM）是關(guān)系產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)銜接的大課題。就虛焊關(guān)聯(lián)來(lái)講，設(shè)計(jì)的焊盤尺寸、孔徑、焊盤的散熱設(shè)計(jì)不合理都會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量造成影響。在本文2.4 章節(jié)已經(jīng)舉例說(shuō)明。故需在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)印制電路的可制造性設(shè)計(jì)的實(shí)施和審查，才能從源頭避免印制電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的虛焊。

3.6 生產(chǎn)人員的培訓(xùn)

操作及檢驗(yàn)人員除了在生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格執(zhí)行文件及制度，還需要持續(xù)培訓(xùn)學(xué)習(xí)電裝焊接技術(shù)知識(shí)。雖然部分焊點(diǎn)故障無(wú)法從外觀判斷，但良好的焊點(diǎn)外觀是焊接成品的基本驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在《電子組件的可接受性》（IPC-A-610）和《軍用電子設(shè)備電氣裝配技術(shù)要求》（SJ 20385A—2008）中都有對(duì)焊點(diǎn)外觀的質(zhì)量檢驗(yàn)要求。焊點(diǎn)質(zhì)量最重要的外觀特征是潤(rùn)濕角，潤(rùn)濕是焊料在金屬化表面上自由流動(dòng)和鋪展形成的一種黏結(jié)鍵合現(xiàn)象。很多焊點(diǎn)焊接缺陷也有外觀特征，如圖4所示。此類焊點(diǎn)的焊接缺陷在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)工人自驗(yàn)和檢驗(yàn)，可以被排查發(fā)現(xiàn)。

圖4 焊接的焊點(diǎn)缺陷

4 結(jié)語(yǔ)

PCBA 中的虛焊問(wèn)題主要分為技術(shù)問(wèn)題和管理問(wèn)題。為了提高產(chǎn)品可靠性，首先需要質(zhì)量或工藝技術(shù)人員正確判斷焊點(diǎn)產(chǎn)生虛焊的具體原因，找到避免虛焊的對(duì)策；其次需在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)PCB 的可制造性設(shè)計(jì)的實(shí)施和審查，才能從源頭避免PCB 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的虛焊；最后在做好DFM 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)物料質(zhì)量控制、生產(chǎn)過(guò)程管理、產(chǎn)品返工返修管控，以及生產(chǎn)人員的培訓(xùn)來(lái)減少虛焊的發(fā)生。只有真正重視虛焊問(wèn)題產(chǎn)生的根源，才能切實(shí)可行地提高產(chǎn)品質(zhì)量。