电路板虚焊的主要成因及解决办法

刘 博

（航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471000）

1.电路板虚焊的定义

虚焊是指焊料与器件的引脚和焊盘之间没有形成金属化物层（IMC），只是简单地依附在焊接件表面所形成的缺陷。IMC 的厚度直接决定了焊接的质量[1]。一般认为，当IMC 厚度在1.5um ～3.5um 时，焊点具有良好的强度和电气连接的性能。当IMC 厚度小于0.5um 时，由于IMC 太薄，几乎没有强度，当IMC 厚度大于4um 时，由于IMC 太厚，连接处会失去弹性，极易使焊点产生开裂。

润湿也是虚焊的一个判断依据，润湿角是指焊料与母材之间的界面和焊料融化后焊料表面切线之间的夹角θ[2]。当30°<θ<45°时，焊点的机械强度最好。55°<θ<90°时，焊接的强度降低，液态钎料和集体金属表面之间缺乏润湿亲和力，潜伏着虚焊的危险性。当θ>90°时，表示不润湿，会产生虚焊。

2.电路板虚焊的检测方法

虚焊的表现形式有很多，比如使焊点成为有接触电阻的连接状态；比如连接时通时不通；比如有的焊点开始时尚好，但在电路工作长时间后，受温度、湿度、振动等环境条件的影响，接触表面逐渐被氧化，接触变得不完全，导致电路工作不正常。

因为表现形式的多样性，虚焊的检测方法也呈现多样性，具体有如下几种。

（1）直接观察法：采用目视或者3D 数字显微镜对同侧焊点进行观察，如果有部分焊脚翘起，说明该处焊点状态异常，可能发生了虚焊。直接观察法是最广泛使用的一种非破坏性检查方法，对部分表面焊接缺陷检测效率较高，比较依赖操作者的工作经验，费时、费力，容易误检、漏检，无法检出焊点内部隐藏的缺陷。如图1 所示。

图1 数字显微镜下焊点虚焊

（2）晃动法：在外观检查中发现有可疑现象时，可用手、牙签等工具对焊接部位进行轻轻拨动，感觉元件有松动迹象，可判断有虚焊。

（3）补焊法：在目视检查时并未发现虚焊，但是通过手工补焊的方法，将该器件的功能恢复正常，证明该器件的焊点存在虚焊。

（4）读写测试法：使用trace32 等辅助测试工具，当访问存储器的地址时，发现数据跳动，证明该器件发生了虚焊。

（5）X 光检测方法：当发现焊点有空洞时，根据IPC610标准和业界规定，单个气泡面积占比不得超过焊球面积的15%，所有空洞面积占比最高不得超过焊球面积的30%，如超出标准，可认为发生虚焊[3]。这类焊点外观正常，又有电气连接，但在工作时，会因结构缺陷而产生较大的工作电流，使焊点工作负荷较大，加之焊锡附着力小，使焊点的可靠性严重降低[4]。

（6）金相分析法：这是一种破坏性的分析方法[5]。使用金相分析的办法检测金属化物层时，当开裂发生在焊料和器件引脚端，一般是引脚氧化或者表面有杂质，如图2所示；当开裂发生在焊料本身，是焊点疲劳所致，如图3所示；当开裂发生在PCB 端，是PCB 焊盘表面有杂质。

图3 焊点开裂（焊料本身）

3.电路板虚焊的成因及解决办法

3.1 器件氧化导致的虚焊及解决办法

现场问题：器件在长时间存放后，引脚发黄，表面氧化，或引脚上存在杂质、灰尘等污染物使得引脚变得不干净，造成引脚可焊性特别差。在锡膏融化时，由于氧化层或者污染物的存在，焊锡与被焊引脚产生隔离，不能生成良好的金属化合物，使得引脚与焊盘没有明显的连接，形成虚焊[6]。

产生的原因：部分元器件停产断档、采购困难，有些来料不符合质量要求；元器件、PCB 板的存放条件及环境问题也给可焊性带来风险。

改进措施：加强采购元器件来料质量的把控，确保库存元器件密封保存。按规范要求，做好PCB 板的入所检验及包装要求，器件引脚严格执行100%焊前搪锡措施。

3.2 器件的共面性不好导致的虚焊及解决办法

现场问题：航空产品生产中鸥翼形封装器件较多，常见的封装有QFP、TSOP 等，虽然鸥翼形封装器件本身的焊装工艺并不是特别复杂，但由于引脚多（最多304 个）、引脚间距细（最小中心间距0.3mm）、引脚形状易变形等特点导致器件共面性差导致虚焊。

产生原因：器件来料有一定的不良率，而且在周转运输、整形、搪锡等生产过程存在一定风险。如订货数量原因不能整包发货，鸥翼形封装器件在二次包装过程存在引脚受损风险；因配套数量原因，库存器件需要重新点数、发放，分发、清点过程存在引脚受损风险；部分器件有二次筛选过程，存在引脚受损风险[7]。

改进措施：二次分装过程中，使用真空吸笔移动器件，使用原托盘包装并确保运输过程中器件不会产生位置移动；加强二次筛选过程中器件包装及引脚保护要求，国产器件进行原厂二次筛选；落实器件焊装前进行共面性检查及引脚整形；对严重共面性问题需要退库处理；明确要求使用共面性检测仪对器件引脚的共面性进行检测，对共面性缺陷的器件进行手工整形，整形后再次检测，直到共面性合格。

3.3 器件的封装尺寸与焊盘尺寸不一致导致的虚焊及解决办法

现场问题：器件尺寸与焊盘尺寸不适配的情况下，非常容易造成虚焊。引脚与焊盘接触面积太小或根本无法接触，无法形成有效连接，形成虚焊[8]。

产生原因：器件缺乏统一管理，建库审核流程不规范；器件选型与实物封装不匹配；缺乏DFM 审查软件和工具。

改进措施：落实元器件库统一建库及管理；加强PCB 设计的器件选用匹配性及检查，落实电路板DFM 审查软件。

3.4 短管脚的直插件的虚焊及解决办法

现场问题：某型电路板上直插编程插座为手工焊接，出现虚焊的概率很高，但目视无法发现，有时多次重焊也无法解决。用X-RAY 检测后透锡率只有10%左右，检查发现该插座安装后插针基本与印制板焊接面平齐。

产生原因：航空产品的特殊应用场合和很多特殊的要求，编程插座、PGA 管脚的封装，引脚有时是负引出，甚至是无引出的状态[9]。电路板这样的结构极易造成手工焊接时引脚润湿不良，无法形成良好的电器连接。

改进措施：将编程插座的焊接方式由手工焊接更改为选择性波峰焊接。手工焊接的焊接效率低，焊点质量受人为因素影响较大，过于依赖操作者的工作技巧和熟练程度，透锡率难以保证。而选择性波峰焊能根据焊点的不同情况，对焊接工艺参数进行个性化设置，对每个焊点质量进行精确控制，使得焊点质量达到最佳。一般来说，手工焊接的温度规定在（240±10）℃，波峰焊接的温度为（250±5）℃。经试验，该编程插座经选择性波峰焊，焊接效果良好，透锡率超过75%，虚焊问题得到了解决。

3.5 焊料疲劳导致的虚焊及解决办法

现场问题：电路板上电出现操作系统不启动的现象，轻压某芯片后故障消失，定位为焊点失效。经试验检测，确认为焊料疲劳失效，降低了焊点强度，导致个别焊点完全开裂，形成虚焊。

产生原因：元器件和印制板在长期使用的过程中，由于器件功率和环境温度周期变化，引发产品温度分布不均匀，而且器件和PCB 热膨胀系统不同[10]。在热膨胀时，焊点产生交变的热应力和热应变，导致应力集中，引起焊点的热疲劳失效。

改进措施：采用与印制板热膨胀系数接近的加固胶，减少芯片焊点受力，以延长焊点的失效周期，可显著提升芯片的焊点寿命。经跟踪，用加固的方法可以有效控制该芯片的虚焊问题。

4.结语

受国际形势的影响，物料的品质不能保证、工艺方法待优化、可制造性设计审核不完善等因素导致航空电子电路板虚焊，虚焊会影响产品的使用寿命。器件虚焊原因很多，如可焊性不好、引脚变形、PCB 焊盘设计的规范性不够、焊料疲劳失效等，本文中对这几种原因引起的虚焊提出了解决措施，后续还会不断探索。