虚焊成因分析与改进措施简介
作者：黄宗英
来源：《科学与财富》2018年第28期
        摘 要：虚焊是电路失效的一种主要形式，将对电子产品在服役过程中的可靠性造成严重影响。本文介绍了虚焊产生原因，详细介绍了在电路设计、物料管理、组装焊接到产品服役几个阶段中导致虚焊产生的潜在因素，并提出了相应的改进措施。从而为提高电子产品的质量和可靠性提供参考。
        关键词：虚焊部位；虚焊原因；可靠性；改进措施
        0 引言
        近年来随着电子产品制造工艺的不断提升，电子产品的质量已有很大的提高。但由虚焊引起焊点失效从而导致整机出现故障的情况仍存在于部分电子产品中。据统计工厂近5年外厂返修设备中，由虚焊导致故障的共有48例。尤其当前电子产品的器件密度和功能密度越来越高，虚焊不仅对产品可靠性埋下严重的隐患，而且出现故障后的返修检测也十分困难。所以深入认识虚焊产生原因，以便制定改进措施，在设计、制造等源头消除虚焊隐患显得十分重要。
        对于虚焊的形成，一个主要的原因是待焊金属表面的氧化物和污垢造成的。金属表面氧化物和污垢将导致焊接形成的“虚焊点”产生有接触电阻的连接状态，使电路工作不正常，出现时好时坏的不稳定现象。虚焊点还会使电路中的噪声增加并且没有规律，给电路的调试、使用和维护带来了重大隐患。此外虚焊产生的另一个重要原因是焊点后期失效。产生该状况的原因是焊点在服役期间，会经历周期性的开关状态导致焊点温度发生升降变化（相当于经历温度循环和温度冲击）产生热应力，以及受到振动冲击等外界动态因素影响产生机械应力导致焊点产生裂纹，形成虚焊点，最终失效。
        经长期总结发现虚焊成因广泛分布于电路设计、物料管理、组装焊接以及产品服役几个阶段。对上述阶段中的影响因素进行分析并进行改进，对避免产生虚焊有重要意义。
        1 电路设计中的虚焊影响因素
        在电路设计过程中，器件的布局对虚焊的形成将产生影响。例如大中功率或靠近大功率的元器件引脚容易由于热胀冷缩导致各引脚应力不均匀，及元器件发热产生的高温引起焊点焊锡变质，引发虚焊。特别是安装在紧固散热片上的元器件虚焊的可能性更大。这种情况下虚焊主要产生在焊点中间。所以包含大功率器件的印制板在布局时，应减少功率器件附近元
器件的布局密度，适当加大功率元器件的散热面积，加快功率器件热量外排。
        在PCB布线中，元件脚旁有金属化过孔，会使部分焊锡熔化时流入过孔，导致所形成的焊点锡量不够，容易形成虚焊点。设计时应尽量将金属化过孔放置在离贴片元件较远的地方，躲开焊点。
        2 物料管理中的虚焊影响因素
        2.1 印制板对虚焊产生的影响
        印制电路板储存时间过长、储存环境潮湿或在转运过程中保护不当容易导致的焊盘氧化，使焊盘的润湿性下降，以致在焊接后产生虚焊，通常这种情况虚焊产生于印制板与焊点接触的部位。印制板的翘曲变形，将会引起焊膏印刷的厚度不一，部分焊盘上焊膏涂覆过少，从而引起焊接不良。
        2.2 元器件对虚焊产生的影响
        元器件在长期储存过程中，很容易有引脚（或BGA的焊球）氧化，焊料很难与焊盘之间形成牢固的冶金结合，从而引起虚焊导致焊点不能提供持续可靠的电气性能。
        2.3 焊料对虚焊产生的影响
        焊料储存时间过长或者温度过高，容易导致焊膏变质，或焊膏在解冻时搅拌时间不够，活化剂未能活化，都将会引起焊点失效。该种类型导致的焊接缺陷通常会批次性的暴露出来。
        所以在物料管控阶段，对焊料、元器件、线路板等采用开包即用原则，避免元器件引脚、线路板的铜焊点，长时间暴露在空气中形成氧化层，影响焊接合金层的形成，容易产生虚焊，没用完的元件、线路板及时包装密封。
        3 焊接过程中的虚焊影响因素
        3.1 回流焊对虚焊产生的影响
        回流焊的温度曲线中任何一个温区设置不合理都会对产生虚焊埋下隐患。以典型的Sn63Pb37焊膏回流为例，在预热区升温过快会造成焊料飞溅，形成焊料球以及焊料不足的焊点。 在保温阶段，若时间设置不合理，会造成由于PCB、元器件温度不均，导致冷焊、芯吸，桥连。并且在该阶段焊膏中的活化剂开始作用，清除元器件焊接面或引脚、焊盘、焊粉
中的氧化物及污染物，不过，焊盘、焊膏、元器件焊接面在在加热和风吹的条件下更易氧化，若保温时间过长，焊膏中的活化剂可能消耗完，反而使回流性能变差，所以该温区需精确设置。回流区，焊料开始熔化，对焊盘和元器件焊脚发生润湿，产生冶金结合，加热时间长PCB和元器件容易损坏，回流温度低，加热时间短，焊料熔化不充分，焊接效果不好，会产生虚焊、冷焊等焊接缺陷。冷却区，冷却速度太大，容易造成焊点区域热应力较大，引起裂锡、脆化，并累积焊接残余应力，容易造成焊点产生裂纹。
        所以回流焊接前须对回流焊接温度曲线进行深入研究，精细化控制，才能避免该阶段对虚焊造成的影响。
        3.2 手工焊对虚焊产生的影响
        在手工焊接时，若焊接时间过短，焊锡未充分熔融，容易冷焊，形成虚焊点。若焊接头温度过高或过低，焊接表面有氧化层，也容易形成虚焊点。助焊剂的还原性或者用量不够，未能完全清洁焊接面，也会导致虚焊。焊接中焊锡未凝固，被焊器件松动，易发生虚焊。
        4 产品服役过程中虚焊影响因素
        印制板组件长期工作在高温环境下，容易引起焊点内钎料合金显微组织明显粗化，导致焊点拉伸强度降低，导电性能变差，最后形成虚焊。
        PCB基板与元器件的热膨胀系数不匹配（FR4的CTE为18ppm/℃，硅芯片的CTE为2.8ppm/℃），在使用过程中容易导致焊点产生残余应力，产生裂纹，随着裂纹生长，焊点容易失效，形成虚焊点。
        若产品使用在高强度振动环境中，焊点中容易产生应力，将焊点拉裂。使焊点失效形成虚焊点。
        所以，包含有大功率元器件的产品在工作时需要注意散热。并尽量减少给产品带来的温度冲击和振动。
        5 其他导致虚焊的影响因素
        元器件本身的重量比较大，在安装、搬运、使用过程容易产生应力，久后元件引脚就会逐渐与线路分离，产生虚焊。这种虚焊主要产生在焊点与焊盘中间。对体积、重量比较大的元器件固定处理，例如紧贴线路板、加胶水、支架等方式固定，对线路板做支架减震固定。
        在经常需要经历大电流高电压冲击的引脚处，焊点上的焊锡容易变得灰暗，并产生裂缝，形成虚焊。并且这种虚焊主要产生在焊点中间。所以使用在该场合下的焊点需做锡焊加固处理。
        6黄宗英总结
        虚焊作为一种焊点失效形式，将对产品质量产生重要影响。尤其在军品中，焊点失效将容易导致武器装备不能正常运行，从而对国防安全带来隐患。对生产单位而言，虚焊的产生不仅影响产品的性能，也会影响到一个企业的声誉。必须把解决虚焊问题放在重要位置。
        本文就虚焊产生的原因，以及在电路设计、物料管理、组装焊接到产品服役几个阶段中导致虚焊产生的潜在因素进行了分析，并提出了相应的改进措施，对控制虚焊的产生有一定的指导意义。然而，导致虚焊的因素还有很多，还有待更深度地去研究和探讨。
        参考文献：
        [1] IPC-A-610D. Acceptability of Electronic Assemblies. IPC， Bannockburn， Feb， 2005.
        [2] 李春来. 电子产品虚焊原因分析及控制方法[J]. 信息技术， 2010， （10）： 119-121.
        [3] 罗石芳. 电子元器件产生虚焊的原因及对策[J]. 科技风， 2013， 6月（上）：33-36.
        [4] 许可. 电子元器件产生虚焊的原因及对策[J]. 江苏航空. 2011， （2）：47-48.
        作者简介：
        黄宗英，男，工艺技术研究部，主任工艺师，研究方向为电子装联工艺、微组装等。