0 引言

在電子產品組裝領域，焊接和壓接是實現電性能連接和導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，無論是在生產過程中還是產品服役后，焊點虛焊都是一種常見的故障模式。在電路設計和車間調試中，焊接問題通常都與虛焊有關。

1虛焊

1.1 虛焊的定義

根據航天標準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）的現象。而《電子電路術語》（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或潤濕效果差的焊點。

1.2 金屬間化合物（IMC）

IMC是由兩個或更多金屬組元按比例組成的有序晶體結構化合物。要實現良好的焊接效果，焊料成分和母材成分必須發生能形成牢固結合的冶金反應，即在界面上生成適當的合金層。因此，在焊接界面上，IMC的形成與否或者形成質量好壞，對焊接接頭的機械、化學、電氣等性能有關鍵性的影響。某焊點內部的金相顯微鏡如圖1所示。從內部構造看，IMC是連接兩種材料的關鍵，起著持久牢固的機械和電氣連接作用。沒有生成或者沒有形成良性的IMC，對焊點來說是災難性的問題。

1.3 焊點上的IMC

IMC的生成對焊點的可靠性很重要，但IMC的生成并非一定能形成可靠的焊點。良好的IMC需要在焊接后焊點界面生成，且形態平坦、均勻、連續及厚度適中，見表1。由表1可知，IMC的厚度、外貌形態、化學結構都會影響焊點的可靠性。

2 造成虛焊的因素

焊接是一個涉及金屬表面、助焊劑、熔融焊料和空氣之間相互作用的復雜過程。熔融的焊料在經過助焊劑凈化后的金屬表面潤濕、擴散、溶解、冶金結合，并與兩個或多個被焊接金屬表面之間生成IMC，從而實現被焊接金屬之間電氣與機械連接技術。因此，虛焊（焊接不良）受到焊接材料、焊接溫度與時間、焊盤設計等相關方面的影響。

2.1 溫度與時間

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到最低要求的潤濕溫度，或者雖然局部發生了潤濕，但冶金反應不完全的現象。冷焊的外觀特征為錫膏未完全融化，呈顆粒狀；手工焊接焊點冷焊表現為焊點不光滑，焊料內夾雜松香狀，也稱松香焊。如對冷焊的焊點進行IMC金相分析，要么沒有生成合金層，要么合金層太薄（<0.5μm），表現為焊料未連接或焊點強度不足。

2.1.2 焊點脆化

IMC的厚度隨溫度和時間的增加而增加，呈一種非線性的函數關系，即溫度越高，IMC增加的厚度就越快，且溫度升高時，形態連續的IMC層有部分斷開，焊點內部會形成空洞。因此，PCBA在高溫試驗環境中易造成焊點的熱疲勞，表現在加電測試時，故障焊點電阻會增大。隨著服役時間的增加，增厚的IMC層焊點更容易從焊點內部不連續斷開，直至焊點開路失效，見表2。由表2可知，隨著試驗板回流焊次數的增多，IMC層厚度及形態都發生了較大變化。

焊點脆化造成的故障一般不會在生產過程中或裝焊完后立刻顯現，大多數是在環境試驗（如高溫、溫度沖擊試驗）中或產品服役一段時間后，才會表現出來。其表現形式為電路信號時通時斷、忽強忽弱、衰減。

2.2 焊接母材的可焊性

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

2.3 焊點金脆

金（Au）是一種優越的抗腐蝕性材料。它具有化學穩定性高、不易氧化、可焊性好，耐磨、導電性好及接觸電阻小的優點。金鍍層是抗氧化性很強的鍍層，與焊料有很好的潤濕性。因此，在元器件和PCB焊盤鍍層上許多環節都用到金鍍層。但是，在需要軟釬接的部位上使用Au卻是有害的，會產生“金脆化”。“金脆化”是指在涂有金涂敷層的表面釬焊時，Au向焊料的錫（Sn）中迅速擴散，形成Au-Sn化合物，如AuSn4。這種化合物為脆性化合物，在應力作用下極易脆斷。當Au的含量達到3%時，焊點會明顯表現出脆性，從而使焊點機械強度和可靠性下降。如圖3（a）所示的PCB焊盤工藝為電鍍厚金，金層厚度達到了1.27μm，回流焊后富集AuSn4的焊點形態。器件引線段未除金導致的焊點開裂如圖3（b）所示。

2.4 設計焊盤及孔徑

PCB上焊盤及孔徑設計的不合理，同樣會造成虛焊。不合理的焊盤尺寸和孔徑可能導致上錫困難，從而造成虛焊。

某司裝調生產過程中，曾發現多起因PCB上焊盤或孔徑不合理導致的虛焊。某產品在調試過程中，每一批次均發生了某項指標不合格的情況。調試工人及設計人員對故障定位到某一器件上，但器件測試認定合格。對該器件重新焊接后，測試指標有好轉但仍不合格。高低溫和板子三防后測試時，該故障現象尤為嚴重。經過幾批次的生產，對焊盤尺寸設計進行驗證試驗，按工藝建議更改焊盤尺寸后，該故障問題徹底解決。

航空產品上某濾波器的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設計標準、器件資料及設計PCB圖，焊盤單邊尺寸（1.7272mm）遠小于標準設計的最小值（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，則不能靠后期生產中的工藝方法來解決。

3 控制虛焊的發生

3.1 生產的現狀

在生產現場，因IMC或金脆引發的焊點虛焊很難被檢測發現，更難以界定虛焊點是Cu6Sn5，還是Cu3Sn。部分焊點外觀良好，但當產品經過一系列老化或環境試驗后，產品功能異常，經反復排查，才能最終確認該焊點存在虛焊。

某公司PCBA組件產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。后經振動測試后發現同一組件板上數個焊點有裂紋，才推論出可能是由于焊點IMC層過厚，導致焊點發脆（同時電阻增大），產生故障，處理方式為報廢當批產品。但生產中因IMC問題報廢產品不易執行，IMC或金脆故障引發的焊點異常證據不容易獲得。因此在實際生產中，需要把工作重點放在生產管理的“過程控制”和監控記錄上，爭取通過合理的可制造性設計（designformanufacturability，DMF）設計、物料質量控制、工藝管控或升級、生產過程管理等，減少虛焊的發生。

（未完，見下篇）

審核編輯 黃宇