基于金相分析的PC B焊接質(zhì)量研究與應(yīng)用

李會超，施清清，王大波 （珠海格力電器股份有限公司，廣東?珠海?519000）
摘? 要：為檢測識別PCB焊點焊接可靠性，提出采用金相分析對焊接質(zhì)量進(jìn)行管控。金相分析通過顯微鏡，利 用光學(xué)原理，觀測材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對PCB的沉銅厚度、引腳浸錫高度、及焊料與引腳合金層形成情況進(jìn)行分 析，保證焊點機械可靠性及抗疲勞性能，提高產(chǎn)品性能及可靠性。 

關(guān)鍵詞：PCB；金相分析；波峰焊；焊接質(zhì)量；可靠性

0  引言

印制電路板（PCB）廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中，電子 元器件在PCB上的焊接方式通常包括手工焊和自動焊接 兩類。波峰焊作為當(dāng)下重要的自動焊接技術(shù)之一，其因 焊點可承受較大機械應(yīng)力，裝配簡單，成本低廉等優(yōu)點 廣泛應(yīng)用于非便攜式電子產(chǎn)品的制作工藝中，如家電、 大功率電源。焊接質(zhì)量異常將影響焊點機械可靠性、 抗熱疲勞性能，對于一些強電器件（扼流圈，PFC電感 等）還將影響產(chǎn)品電氣安全性能^[1]。如圖1所示，為焊接 不良導(dǎo)致器件失效。當(dāng)PCB上存在大吸熱器件時，如何 保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的可靠性，是電子行業(yè)工藝優(yōu)化關(guān)注 的熱點。

PCB焊接檢驗分為接觸式檢測、人工檢測和新型自 動化檢驗。接觸式檢驗和人工檢驗隨著電子集成電路的 發(fā)展，其局限性日益突出，單純通過PCB的導(dǎo)通性、絕 緣性或人工經(jīng)驗來判斷缺陷的發(fā)放逐步被替代。自動光 學(xué)檢測（Automatic Optic Inspection，AOI）作為電子行 業(yè)比較成熟的自動化檢測技術(shù)，對于通孔、橋連等焊接 異常有較高的檢查精度^[2]。但是對于焊點內(nèi)部合金層形 成、焊點透錫高度、沉銅厚度等影響產(chǎn)品運行可靠性的 工藝參數(shù)無法識別，存在測試盲區(qū)。金相分析通過對 焊點內(nèi)部組織進(jìn)行觀察，判斷焊點質(zhì)量，提高產(chǎn)品可 靠性^[3-4]。

1  金相分析 

金相分析是材料學(xué)中常用的一種分析手段，通過高 倍光學(xué)顯微鏡，利用光在不同介質(zhì)分界面的光學(xué)現(xiàn)象， 觀察某種材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，判斷其屬性是否發(fā)生變 異，有助于質(zhì)量檢驗、失效分析、新工藝、新材料等工 作的可靠性。因此，其應(yīng)用領(lǐng)域也擴展到了電子行業(yè)，常見的有芯片內(nèi)部晶元解剖、PCB板過孔不通、PCB可 焊性分析等。 金相分析通常包括以下幾個步驟： 1）選取待分析樣本。選取需要分析的部件，大小 適宜，滿足鑲嵌。 

2）鑲嵌待磨制樣本。將樣本放入鑲嵌機，加入鑲 嵌粉，高溫、高壓模式下成型。成型時間視鑲嵌粉材質(zhì) 有所不同。 

3）鑲嵌后的樣本磨制。磨制時需邊磨邊用水冷 卻，磨制力度、時間得當(dāng)，避免待分析組織變形。 

4）磨制后的樣本拋光。磨制后經(jīng)過粗拋光、細(xì)拋 光應(yīng)保證表面無磨痕，像鏡面，吹干后無水漬和污漬。 

5）拋光后樣本觀察。使用高倍顯微鏡觀察組織 情況。

2  金相驗證 

2.1 設(shè)備及儀器 

主要設(shè)備包括試樣鑲嵌機、預(yù)磨機、拋光機、金相 顯微鏡及其他輔助設(shè)備。 

2.2 波峰焊工藝參數(shù)合理性 

對于高壓電解電容、PFC電感、扼流圈等強電器 件，因其特殊的承載及電氣安全要求，焊接質(zhì)量尤為重 要。手工焊接因存在焊接時長無法把控、易產(chǎn)生錫珠等 問題在電子制造業(yè)已逐步被淘汰。波峰焊技術(shù)作為電子 工業(yè)中一種重要工藝，主要用于自動焊接自插、手工插 裝器件。影響波峰焊焊接工藝的因素主要包括兩類：第 一類為波峰焊設(shè)備設(shè)定參數(shù)，如助焊劑流量、鏈速、預(yù) 熱溫度、爐溫曲線等；第二類為PCB板特性，包括板材 厚度、焊盤元器件布局等。波峰焊參數(shù)設(shè)置不合理不僅 影響焊接質(zhì)量，還將造成生產(chǎn)成本、效率浪費。 

傳統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置效果以PCB過爐后是否有橋連、通 孔、上錫不良等作為直觀判斷依據(jù)，但對于焊點填充高 度、焊點合金層等影響焊點可靠性的參數(shù)卻無法識別。 提高波峰焊工藝參數(shù)合理性，進(jìn)而提高設(shè)備綜合利用率 是電子制造工藝的追求目標(biāo)之一，而金相分析提供為其 提供了解決方案。 

經(jīng)驗證，影響焊接的主要參數(shù)包括爐溫、鏈速、助焊劑流量及種類。因助焊劑種類在選型固定后，生產(chǎn)階 段不存在切換情況，因此論文主要對前三種參數(shù)的組合 進(jìn)行驗證。 

以某款PCB為例，3個參數(shù)分別設(shè)置如表1所示。

不良：第一類為器件引腳異常（氧化、粘有異物 等）導(dǎo)致無法上錫；第二類為焊接過程異常導(dǎo)致引腳上 錫不良，更換元器件亦或是直接采用手工加錫的處理方 案，都存在成本、資源浪費，且不能保證處理后的PCB 是否滿足焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)。而金相分析為此類異常提供了 可靠的解決方案。使用金相分析對PCB焊接效果評估， 主要依照如下參數(shù)：透錫標(biāo)準(zhǔn)、氣泡體積、合金層以及 PCB過孔沉銅厚度。針對不同的產(chǎn)品，以上4個參數(shù)標(biāo) 準(zhǔn)不盡相同，以家電類產(chǎn)品為例，要求各項參數(shù)需滿足 以下條件： 

1）透錫高度≥75%； 

2）100倍放大鏡下下有明顯合金層； 

氣泡體積不超過焊點體積的30%； 

PCB過孔沉銅厚度不小于20 μm。 

某次生產(chǎn)過程中，扼流圈引腳因固定底座的白膠殘 留在引腳上，導(dǎo)致引腳通孔，如圖5所示。通過金相分 析，如圖6左所示，該引腳透錫高度不滿足75%的工藝 要求；手工加錫后的金相結(jié)果如圖6右所示，表明加錫 處理方案滿足焊接要求。

生產(chǎn)過程中因波峰焊設(shè)備異常，需對已生產(chǎn)的PCBA 進(jìn)行評估。通過金相分析，如圖7所示，表明引腳透錫高 度及焊點合金層形成異常。通過手工加錫處理后，如圖8 所示，引腳透錫高度、合金層形成良好，同時，PCB過 孔沉銅厚度為39 μm，滿足20 μm的工藝要求。

3  結(jié)語 

金相分析簡單直觀，是質(zhì)量控制、失效分析、新材 料新工藝開發(fā)等工作不可缺失的一部分。焊接質(zhì)量作為 影響控制器運行可靠性的重要參數(shù)，文章采用金相方法 對多類別焊接不良進(jìn)行分析，表明其有對于提高PCB焊 接質(zhì)量、提高產(chǎn)品可靠性方面具有獨特優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)： 

[1] 王曉敏.無鉛波峰焊不同板厚的通孔填充性研究[D].哈爾濱:哈 爾濱工業(yè)大學(xué),2008. 

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[3] 姜圓香.基于數(shù)字圖像處理的鋼中碳化物金相分析[D].荊州:長 江大學(xué),2017. 

[4] 陸健,楊冬琴,黃倩露,等.基于大數(shù)據(jù)分析的半 導(dǎo)體工藝的良率提升研究[J].南通大學(xué)學(xué)報(自然 科學(xué)版),2016,15(4):17-21．