大研智造 PCB组装中的虚焊：原因、影响与解决方案（上）

0  引言

在电子产品组装领域，焊接和压接是实现电性能连接和导通的两种核心工艺方法。在印制电路板组装（printed circuit board assembly，PCBA）中，软钎焊因其加热温度低于450℃而被广泛采用。然而，无论是在生产过程中还是产品服役后，焊点虚焊都是一种常见的故障模式。在电路设计和车间调试中，焊接问题通常都与虚焊有关。

1虚焊

1.1  虚焊的定义

根据航天标准QJ2828，虚焊是指在焊接过程中连接界面上未形成合适厚度的金属间化合物（IMC）的现象。而《电子电路术语》（T/CPCA1001—2022）则将其定义为表面具有块状、褶皱或堆积的外观，显示出不正确的焊料流动或润湿效果差的焊点。

1.2  金属间化合物（IMC）

IMC是由两个或更多金属组元按比例组成的有序晶体结构化合物。要实现良好的焊接效果，焊料成分和母材成分必须发生能形成牢固结合的冶金反应，即在界面上生成适当的合金层。因此，在焊接界面上，IMC的形成与否或者形成质量好坏，对焊接接头的机械、化学、电气等性能有关键性的影响。某焊点内部的金相显微镜如图1所示。从内部构造看，IMC是连接两种材料的关键，起着持久牢固的机械和电气连接作用。没有生成或者没有形成良性的IMC，对焊点来说是灾难性的问题。

1.3  焊点上的IMC

IMC的生成对焊点的可靠性很重要，但IMC的生成并非一定能形成可靠的焊点。良好的IMC需要在焊接后焊点界面生成，且形态平坦、均匀、连续及厚度适中，见表1。由表1可知，IMC的厚度、外貌形态、化学结构都会影响焊点的可靠性。

2  造成虚焊的因素

焊接是一个涉及金属表面、助焊剂、熔融焊料和空气之间相互作用的复杂过程。熔融的焊料在经过助焊剂净化后的金属表面润湿、扩散、溶解、冶金结合，并与两个或多个被焊接金属表面之间生成IMC，从而实现被焊接金属之间电气与机械连接技术。因此，虚焊（焊接不良）受到焊接材料、焊接温度与时间、焊盘设计等相关方面的影响。

2.1  温度与时间

2.1.1  冷焊

冷焊是指在焊接过程中，钎料与基体金属之间未达到最低要求的润湿温度，或者虽然局部发生了润湿，但冶金反应不完全的现象。冷焊的外观特征为锡膏未完全融化，呈颗粒状；手工焊接焊点冷焊表现为焊点不光滑，焊料内夹杂松香状，也称松香焊。如对冷焊的焊点进行IMC金相分析，要么没有生成合金层，要么合金层太薄（<0.5μm），表现为焊料未连接或焊点强度不足。

2.1.2  焊点脆化

IMC的厚度随温度和时间的增加而增加，呈一种非线性的函数关系，即温度越高，IMC增加的厚度就越快，且温度升高时，形态连续的IMC层有部分断开，焊点内部会形成空洞。因此，PCBA在高温试验环境中易造成焊点的热疲劳，表现在加电测试时，故障焊点电阻会增大。随着服役时间的增加，增厚的IMC层焊点更容易从焊点内部不连续断开，直至焊点开路失效，见表2。由表2可知，随着试验板回流焊次数的增多，IMC层厚度及形态都发生了较大变化。

焊点脆化造成的故障一般不会在生产过程中或装焊完后立刻显现，大多数是在环境试验（如高温、温度冲击试验）中或产品服役一段时间后，才会表现出来。其表现形式为电路信号时通时断、忽强忽弱、衰减。

2.2  焊接母材的可焊性

可焊性是指熔融焊料润湿某种金属的能力。印制电路板（printed circuit board，PCB）和元器件的可焊性是关键参数。PCB焊盘的镀层工艺种类较多，焊盘常用的有热风锡铅镀层（hot air solder leveling，HASL）和化学镀镍/浸金（electroless nickel immersion gold，ENIG）。如PCB加工过程或存储不当都会造成焊接过程中未形成合格的IMC。典型案例如ENIG加工问题，导致金层下的镍层部分腐蚀，使后期焊接不良的“黑盘”现象。PCB和元器件镀层的氧化或污染同样会引起焊接不良问题。

2.3  焊点金脆

金（Au）是一种优越的抗腐蚀性材料。它具有化学稳定性高、不易氧化、可焊性好，耐磨、导电性好及接触电阻小的优点。金镀层是抗氧化性很强的镀层，与焊料有很好的润湿性。因此，在元器件和PCB焊盘镀层上许多环节都用到金镀层。但是，在需要软钎接的部位上使用Au却是有害的，会产生“金脆化”。“金脆化”是指在涂有金涂敷层的表面钎焊时，Au向焊料的锡（Sn）中迅速扩散，形成Au-Sn化合物，如AuSn4。这种化合物为脆性化合物，在应力作用下极易脆断。当Au的含量达到3%时，焊点会明显表现出脆性，从而使焊点机械强度和可靠性下降。如图3（a）所示的PCB焊盘工艺为电镀厚金，金层厚度达到了1.27μm，回流焊后富集AuSn4的焊点形态。器件引线段未除金导致的焊点开裂如图3（b）所示。

2.4  设计焊盘及孔径

PCB上焊盘及孔径设计的不合理，同样会造成虚焊。不合理的焊盘尺寸和孔径可能导致上锡困难，从而造成虚焊。

某司装调生产过程中，曾发现多起因PCB上焊盘或孔径不合理导致的虚焊。某产品在调试过程中，每一批次均发生了某项指标不合格的情况。调试工人及设计人员对故障定位到某一器件上，但器件测试认定合格。对该器件重新焊接后，测试指标有好转但仍不合格。高低温和板子三防后测试时，该故障现象尤为严重。经过几批次的生产，对焊盘尺寸设计进行验证试验，按工艺建议更改焊盘尺寸后，该故障问题彻底解决。

航空产品上某滤波器的PCB在装配过程中，工人反映此焊盘及孔径过小，上锡困难。工艺人员查阅了相关设计标准、器件资料及设计PCB图，焊盘单边尺寸（1.7272mm）远小于标准设计的最小值（2.2000mm）。孔径及焊盘比照见表3。这种焊盘在装焊过程造成的虚焊，则不能靠后期生产中的工艺方法来解决。

3  控制虚焊的发生

3.1  生产的现状

在生产现场，因IMC或金脆引发的焊点虚焊很难被检测发现，更难以界定虚焊点是Cu6Sn5，还是Cu3Sn。部分焊点外观良好，但当产品经过一系列老化或环境试验后，产品功能异常，经反复排查，才能最终确认该焊点存在虚焊。

某公司PCBA组件产品在常温下工作正常，在高低温工作中始终不正常，无法判定其故障原因。后经振动测试后发现同一组件板上数个焊点有裂纹，才推论出可能是由于焊点IMC层过厚，导致焊点发脆（同时电阻增大），产生故障，处理方式为报废当批产品。但生产中因IMC问题报废产品不易执行，IMC或金脆故障引发的焊点异常证据不容易获得。因此在实际生产中，需要把工作重点放在生产管理的“过程控制”和监控记录上，争取通过合理的可制造性设计（design for manufacturability，DMF）设计、物料质量控制、工艺管控或升级、生产过程管理等，减少虚焊的发生。

（未完，见下篇）

审核编辑 黄宇