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摘要：

通孔填充不良一直是 PCB 焊接的難題，在波峰焊、回流焊、選擇性波峰焊工藝中都存在，通孔填充不良會(huì)降低焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度，影響導(dǎo)電性能，填充不良是由多種影響因素綜合作用形成的，該文以電子行業(yè)廣泛應(yīng)用的波峰焊接工藝為例，對(duì)通孔填充不良問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出影響波峰焊通孔填充性的關(guān)鍵因素，對(duì)分析過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提出改善措施。

0 前言

波峰焊接工藝中焊料的通孔填充性問(wèn)題一直是雙面板和多層板的面臨一個(gè)難題，尤其是無(wú)鉛焊接工藝。在遇到大厚度或者大吸熱元件時(shí)填充不良現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。由于填充不良會(huì)降低焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度，還會(huì)減弱焊點(diǎn)的抗熱疲勞性能，甚至嚴(yán)重影響產(chǎn)品的電氣性能，因此在生產(chǎn)中必須設(shè)法控制并改進(jìn)工藝使焊點(diǎn)達(dá)到良好的通孔填充性。波峰焊接工藝過(guò)程影響通孔填充性好壞的因素很多，對(duì)波峰焊接通孔填充不良進(jìn)行分析，有利于優(yōu)化工藝，提高焊接質(zhì)量。

1 通孔波峰焊焊點(diǎn)填充不良缺陷及接受標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) IPC-A-610H，鍍通孔波峰焊后垂直透錫高度目標(biāo)為 100% ，這也是高可靠產(chǎn)品的基本要求，如圖 1 所示。

1、2、3 級(jí)產(chǎn)品可接受最少的填充比例為 75%(允許包括主面和輔面一起最多 25%的下陷) ，如圖 2 所示。

如 PTH 焊點(diǎn)不滿足上述填充條件，則稱(chēng)之為 PTH焊接填充不良。波峰焊焊接通孔填充不良使 PTH 焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度大幅下降，甚至由于導(dǎo)通電阻增大而影響了導(dǎo)電性能，嚴(yán)重降低了焊點(diǎn)可靠性。

2 波峰焊通孔填錫的物理過(guò)程

在波峰焊接工藝中，通孔的透錫過(guò)程是指 PCBA 經(jīng)過(guò)涂布助焊劑去除氧化膜后，接觸焊料波峰并依靠焊料對(duì)基體金屬的潤(rùn)濕作用及毛細(xì)現(xiàn)象沿金屬化孔爬升，實(shí)現(xiàn)焊接的過(guò)程。在通孔的透錫過(guò)程中，通孔與引線間隙的填充可簡(jiǎn)化為兩平行線板插入液態(tài)焊料的狀況，如圖3 所示，焊料可以潤(rùn)濕金屬板，否則將會(huì)出現(xiàn)右圖的現(xiàn)象。在填充過(guò)程中由于液態(tài)焊料對(duì)母件的潤(rùn)濕，產(chǎn)生焊料彎曲液面，導(dǎo)致附加壓力 P A 的產(chǎn)生。

如圖 4 所示，此時(shí)焊料在金屬化孔內(nèi)受到 3 個(gè)力作用，表面張力形成的附加壓力 P A ，由于 PCB 浸入熔融焊料一定深度形成的靜壓力 P Y 和重力 G。焊料所受靜壓力或由液態(tài)波峰產(chǎn)生的對(duì)焊料的向上壓力 P Y 不是焊料爬升的主要力，而由表面張力形成的附加壓力 P A 才是焊料爬升的主要力，既毛細(xì)作用力。

研究表明填錫高度和通孔與引腳間隙成反比，既間隙越小，毛細(xì)作用越強(qiáng)，爬升高度越高；另外，增加固氣界面張力，或減小固液界面張力也可以增大最大填充高度。清潔的通孔內(nèi)壁可以使固氣界面張力維持，如果孔壁有殘留的氧化物，則表面張力值很低，從而產(chǎn)生填充不良。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，焊接時(shí)間 3-5 s，所以在固定的焊接時(shí)間內(nèi)，焊料的爬升速度越快，填充的高度也會(huì)接近于最高高度。而焊料黏度和爬升速度成反比，焊料的黏度隨溫度的升高是降低的，所以增加溫度可以提高爬升速度。隨著爬升高度的增加，爬升的速度減小。

3 影響波峰焊接通孔填充不良的因素分析

通過(guò)對(duì)透錫物理過(guò)程的分析，可以得出下列關(guān)鍵因素影響波峰焊工藝的通孔填充性：

3.1 組件的可焊性

組件(包括元器件引腳和 PCB 通孔焊盤(pán))的可焊性決定了界面的潤(rùn)濕性，直接影響通孔的填充高度。影響元器件引腳和 PCB 潤(rùn)濕的因素主要是表面有污染或氧化，可焊鍍層的質(zhì)量不好等。

3.2 助焊劑的選型和涂覆

助焊劑的選型決定了可焊端氧化膜的除膜工藝能力，從而影響了可焊端表面對(duì)焊料的潤(rùn)濕性能。涂覆均勻到位，使空壁內(nèi)部全部均勻涂覆，焊錫才能爬升到位。助焊劑對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量的影響，主要集中在它的殘留物的高腐蝕性、低的表面絕緣電阻以及低助焊能力等方面。

3.3 焊料質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致焊點(diǎn)不良

焊料的合金組成與設(shè)計(jì)不符，以及雜質(zhì)含量過(guò)高，或不正確的使用均會(huì)導(dǎo)致焊料合金的嚴(yán)重氧化。合金的比例超差主要影響焊料的表面張力以及熔點(diǎn)，如果張力變大或熔點(diǎn)增高，必然會(huì)造成焊料的潤(rùn)濕性變差，形成缺陷的焊點(diǎn)就會(huì)增加，雜質(zhì)含量也會(huì)明顯影響焊料的性能。

3.4 波峰焊設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)

如果波峰焊設(shè)備工作在不正常的條件下，也會(huì)影響產(chǎn)品的通孔填充性。特別是設(shè)備的預(yù)熱性能，必須確保板預(yù)熱的均勻性和板背面的溫度達(dá)到目標(biāo)值，否則嚴(yán)重影響焊錫爬升。

3.5 波峰焊參數(shù)的設(shè)定

導(dǎo)軌傾角、鏈速、阻焊劑噴涂量、助焊劑噴涂均勻度、預(yù)熱溫度與時(shí)間、焊接溫度與時(shí)間、波峰高度等工藝參數(shù)的設(shè)定值直接影響產(chǎn)品的通孔填充性。

3.6 PCB 孔徑與元件引腳直徑的匹配

從焊料爬升高度看，以小間隙為佳，但是過(guò)小的間隙又會(huì)對(duì)插件等工序帶來(lái)困難。因此，波峰焊接時(shí)為使焊料能填滿空隙，必須在安裝設(shè)計(jì)時(shí)保證合適的孔徑比。

4 波峰焊通孔填充不良案例分析

結(jié)合通孔填充不良案例，運(yùn)用金相切片分析的手段，研究焊接工藝過(guò)程和問(wèn)題原因。

案例 1：波峰焊 LED 燈一腳透錫，一腳不透錫。如圖5 所示。

原因分析：主要原因?yàn)?PCB 設(shè)計(jì)欠佳，TOP 面焊盤(pán)電路引線多且粗，散熱快，導(dǎo)致附近引腳焊接溫度低，引起通孔透錫不良。

建議措施：

(1)提高預(yù)熱溫度，開(kāi)上、下兩個(gè)預(yù)熱。

(2)增加助焊劑噴涂量。

(3)減低鏈條速度。

要從根本上杜絕此類(lèi)現(xiàn)象，必須在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上優(yōu)化 PCB 設(shè)計(jì)。

案例 2：波峰焊 PTH 上錫不良，焊點(diǎn)發(fā)黑。如圖 6所示。

原因分析：如圖 7 所示，通過(guò)對(duì)不良焊點(diǎn)的金相切片發(fā)現(xiàn)，孔壁及孔邊緣焊盤(pán)存在鎳層缺失現(xiàn)象，鎳層缺失處的焊料和孔壁之間形成了含鎳的合金化合物，焊盤(pán)發(fā)黑處主要為鎳層氧化造成，造成該不良的最大可能性是和 PCB 化學(xué)鎳金工藝制程有關(guān)。金相分析還發(fā)現(xiàn)不良焊點(diǎn)的孔壁和鍍鎳層和焊料之間存在明顯的潤(rùn)濕不良現(xiàn)象，而焊料和引腳之間潤(rùn)濕良好，可判定不良原因?yàn)?PCB 鍍層質(zhì)量不佳造成。

建議措施：加強(qiáng) PCB 加工制程控制，特別是表面處理工序，使用方增加有效的檢驗(yàn)手段，杜絕批次不良PCB。

案例 3：焊點(diǎn)吹孔，透錫不良。如圖 8 所示。

原因分析：通過(guò)金相切片發(fā)現(xiàn)插件孔焊料填充不足，孔壁粗糙，孔旁多處基材疏松，芯吸現(xiàn)象明顯；焊點(diǎn)中除存在吹孔現(xiàn)象外，焊料中也存在較大空洞，個(gè)別焊點(diǎn)焊盤(pán)發(fā)生起翹，如圖 9 所示。

吹孔孔口處存在明顯的助焊劑殘留物，元件面的器件本體上噴濺了大量的錫珠，焊接面焊點(diǎn)周?chē)臍埩粑镱w粒主要是焊料渣和助焊劑的殘留物。就此推斷：在波峰焊接過(guò)程中，焊點(diǎn)和通孔內(nèi)部產(chǎn)生的氣體向外逃逸。當(dāng)焊點(diǎn)頂層的焊料凝固后對(duì)放出的或捕獲的氣體不再提供一條逃逸通道時(shí)，焊點(diǎn)內(nèi)部氣體的一部分繼續(xù)膨脹而從底部噴逸形成吹孔，未逸出的氣體則被包裹在凝固的焊料內(nèi)部形成空洞。

焊接過(guò)程中，焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生的氣體主要是由于助焊劑的揮發(fā)以及潮氣的釋放導(dǎo)致的。助焊劑過(guò)量或焊前溶劑揮發(fā)不充分，或者基板受潮等因素，都將導(dǎo)致焊接過(guò)程中產(chǎn)生大量的氣體而容易形成吹孔或焊料內(nèi)空洞。而分析中發(fā)現(xiàn)插孔孔壁粗糙，孔旁基材疏松，這些因素都易使 PCB 內(nèi)部殘存過(guò)量潮氣而導(dǎo)致焊接過(guò)程中產(chǎn)生較多的氣體。

建議措施：焊接前烘烤 PCB 基板，增加預(yù)熱時(shí)間或提高預(yù)熱溫度，選擇合適的焊料波峰形狀等措施。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，應(yīng)通過(guò)控制 PCB 制造工藝消除孔壁粗糙和基材疏松現(xiàn)象，杜絕 PCB 內(nèi)部潮氣殘存渠道，嚴(yán)格控制并優(yōu)化波峰焊工藝，從根本上消除吹孔和空洞現(xiàn)象。

案例 4：預(yù)熱不足導(dǎo)致的填充不良。

現(xiàn)象描述：電源板上有 6 個(gè)功率管，且安裝有共用的鋁制散熱器，功率管通過(guò)導(dǎo)熱膠和散熱器連接，過(guò)波峰時(shí)散熱器已經(jīng)與功率管粘接好，過(guò)波峰后功率管引腳透錫不良。

原因分析：對(duì)不良焊點(diǎn)的進(jìn)行切片分析，如圖 10所示。

從切片圖示可以看出，焊錫爬升不足，但是焊料對(duì)元器件引腳和通孔內(nèi)部的潤(rùn)濕角沒(méi)有問(wèn)題，顯示 PCB和元器件的可焊性均沒(méi)有問(wèn)題。同時(shí)發(fā)現(xiàn)通孔內(nèi)壁還有比較多的氣孔，顯示助焊劑氣體或孔壁水分沒(méi)有預(yù)熱或焊接的熱量被快速揮發(fā)了。另外，根據(jù)焊錫對(duì) PCB 孔壁的爬升高度要高于元器件引腳端的特點(diǎn)，可以判定通孔爬升不良的根本原因是預(yù)熱不足，特別是當(dāng)功率管和大的散熱器相連時(shí)，熱量通過(guò)散熱器迅速散失，預(yù)熱不足更為突出。

建議措施：更換或改進(jìn)預(yù)熱裝置，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度和時(shí)間，同時(shí)降低板的傳送速度，但要保證板的各個(gè)區(qū)域的溫度相差不大，最終還要考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)，更改功率管的散熱器結(jié)構(gòu)和安裝方式。

5 結(jié)論

波峰焊接通孔填充不良是由多種影響因素綜合作用形成的，在解決問(wèn)題的時(shí)候，應(yīng)從主要因素著手改善。為了避免填充不良缺陷的發(fā)生，首先要確保組件各部分的可焊性和合適的助焊劑，然后對(duì)波峰焊工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，特別是預(yù)熱工藝和爐溫曲線的關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，另外還要保證組件的工藝設(shè)計(jì)合理性。

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審核編輯 黃宇