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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)分析過程中的發(fā)現(xiàn)的問題提出改善措施。

0 前言

波峰焊接工藝中焊料的通孔填充性問題一直是雙面板和多層板的面臨一個(gè)難題，尤其是無鉛焊接工藝。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程

在波峰焊接工藝中，通孔的透錫過程是指 PCBA 經(jīng)過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)焊接的過程。在通孔的透錫過程中，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

通過對(duì)透錫物理過程的分析，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)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，但是過小的間隙又會(huì)對(duì)插件等工序帶來困難。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，研究焊接工藝過程和問題原因。

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，通過對(duì)不良焊點(diǎn)的金相切片發(fā)現(xiàn)，孔壁及孔邊緣焊盤存在鎳層缺失現(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)周圍的殘留物顆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)部殘存過量潮氣而導(dǎo)致焊接過程中產(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，功率管通過導(dǎo)熱膠和散熱器連接，過波峰時(shí)散熱器已經(jīng)與功率管粘接好，過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)濕角沒有問題，顯示 PCB和元器件的可焊性均沒有問題。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