1. 概述

  波峰焊接技术的普及和应用，对电子产品装联工艺技术的影响是划时代的，它实现了PCB软焊接的自动化，大幅度地提高了生产效率，而且对产品质量状况的改善也是极为明显的，特别是军用电子装备生产中采用波峰焊接工艺后，对改善产品的可靠性意义更大。但由于国内军用电子装备大面积采用波峰焊接还处于起步阶段，因此波峰焊法焊点合格的判据，便愈来愈受到了一些军事部门的重视。

  波峰焊接过程中，基本上都是在PCB上来进行的，因此在PCB上钎接缺陷主要反映在虚焊、不润湿、反润湿，焊点轮廓敷形(以下简称敷形)不良，桥连、拉尖、空洞、针孔、“放泡孔”、扰动焊点或断裂焊点，暗色焊点或颗科状焊点等方面。

  2. 焊接缺陷判据及其形因诊断

  2.1 虚焊

  2.1.1 判据

  虚焊现象作为危害电子设备可靠性的一个隐形杀手，长期以来就受到人们的普遍关注，它降低了焊点的机械强度、耐冲击性和耐挥动性、使导电性变得不良。国内外学者普遍认为：在焊接部焊料和基体金属的界面处没有形成适量的合金层，就可定义为虚焊。在显微组织上虚焊的界面主要是氧化层；而良好接头界面显微金相组织主要是铜锡合金薄层。

  用铅-锡合金焊料对铜基体进行软钎料时，在焊料与基体金属的界面上，由于扩散反应，从焊料方面看，仅有Sn参与了与基体金属之间的反应(Pb不参与化合物反应)，并从基体金属在液态钎料一侧溶蚀，并扩散到钎料中去，这种在界面上以原子量的比例按化学方式结合起来的金属间化合物，靠近焊料一侧形成了Cu31Sn5(η相)，而靠近铜的一侧形成了Cu3Sn(ε相)，当温度超过300℃时还有其它相，如Cu31Sn8(γ相)以及不明合金产生，国内有试验报告称：合金层的厚度为(1.3～3.5)μm的比较合适。这种合金的显徽组织结构，如图4-1所示。

  虚焊焊点表面无光泽(即失支了焊料原有的金属光泽和光滑度)或者表面呈颗粒状。

  2.1.2 形因诊断

  (1) 焊料温度低，热量供给不足

  焊接必须供给足够的热量，当焊接部没有加热到最佳的润湿温度时，就不能形成良好的合金层。在极端情况下，因焊接不产生浸润，就形成了冷焊焊点，在波峰焊接中出现此现象的主要原因是：

  (a) 焊料槽温度低。焊点接合部的金属不能加热到能生成金属间化合物的最适宜的温度；

  (b) 夹送速度过快，即使焊料槽已处于最佳温度状态，但由于夹送速度过快，焊点接合部金属没有获得足够的热量，接合部温度上升不到最佳润湿温度区间，焊料浸润不完善，不能形成理想的合金层。

  (c) PCB设计不合理，导致了热容量相差悬殊的许多另件引线在同一时间，同一温度下进行钎接时，将使各元器件焊点上温度出现明显的差异。热容量大的，因吸取的热量不足而温度降低，引起浸润条件恶化，形成不了理想的合金层。

  (2) PCB和元器件引线可焊性差

  液体与固体接触时，总是存在着润湿性问题，影响润湿性的主要因素是：

  (a) 被接合的基体金属表面氧化、污染

  由于在接合金属表面上形成的氧化膜或者污染膜，通常比拼合母材具有更高的表面自由能，它们在接合面起隔离原子的作用而成为钎接的障碍。因此，钎接中的“润湿”过程，只有将它们除去后才会发生。

  (b) 焊料槽温度过高

  由于焊料槽温度过高。焊料与母材表面加速氧化而造成焊料表面张力增加，附着力减少，而且高温还溶蚀了母材的粗糙表面，使毛细作用减少，浸流性下降，如图4-2所示。

  波峰焊接中焊料槽的温度超过270℃时，就可能出现此现象。

  (a) 钎料槽温度偏低

  焊料槽温度偏低造成润湿不良，是因为在低温下焊料的流动性、流布性都较差，而界面上原子扩散的激活能也小，没有或不足以形成合金，故表现为润湿性差或不润湿。

  (b) 焊接时间过长

  可焊性随加热时间的增加而降低，如图4-3所示。

  加热时间增加而润湿性变差的原因主要是由于弱润湿现象所致，即当“润湿”已经发生，焊接界面已经产生了合金层，但若焊料保持熔化状态的时间过长，则金属间化合物层会生长得大厚，而焊料对这层金属间化合物的润湿要比对 ** 的基体金属母材的润湿更困难，因此在波峰焊接中夹送速度小于0.5米/分以下是不可取的。

  2.2 不润湿及反润湿

  2.2.1 判据

  2.2.1.1 不润湿

   波峰焊接后，基体金属表面产生不连线的焊料薄膜，在不润湿的表面，焊料根本就没有与基体金属完全接触，因而可以明显地看到 ** 的基体金属表面。

  2.2.1.2 反润湿

  波峰焊接中，焊料首先润湿基体金属表面，后因润湿不好而回缩，从而在基体金属表面留下一层很薄的钎料层，同时又断断续续的有些分离的焊料球。大焊料球与基体金属相接触处有很大的接触角，如图4-4所示。

  2.2.2 形因诊断

  2.2.2.1 不润湿：

  很多原因都产生不润湿现象，主要原因如下：

  (1) 基体金属不可焊；

  (2) 使用助焊剂的活性不够或助焊剂变质失效；

  (3) 表面上的油或油脂类物质使助焊剂和焊料不能与补焊表面接触；

  (4) 波峰焊接时间和温度控制不当。例如，焊接温度过高或者熔化钎料的接触时间过长。

  金属间化合物层长得大厚以致钎料又会剥落下来，其影响与虚焊相似。

  2.2.2.2 反润湿：

  反润湿的形因类似于非润湿情况。此外，在基体金属表面上某种形式的玷污也会引起半润湿现象，例如清洗时把磨料嵌入表面即是一例。另外当焊料槽里的金属杂质浓度达到一定值后，也会产生半润湿状态。

  在那种由于表面严重污染而导致可焊性不良的极端情况下，在同一表面上会同时出现非润湿和半润湿共存的状态。

  2.3 松动

  2.3.1 判据

  波峰焊接后若敲振焊点，引线就会松动，甚至完全脱出。

  2.3.2 形因诊断

  造成焊点松动的原因是：

  (1) 焊料与基体金属之间未能充分融合，即焊料未能充分润湿基体金属；

  (2) 波峰焊接中，焊料未充分冷却凝固就碰了引线，焊料凝固后，内部产生空隙使引线松动；

  (3) 元器件引线助焊预处理不良，焊料对引线润湿性降低，这对勉强用大量的焊料覆盖钎接处，也会产生松动。

  2.4 焊点的轮廓敷形

  2.4.1 焊料过多(堆焊)及过少(干瘪)

  2.4.1.1 判据

  (1) 焊料过多(堆焊)：

  焊料在焊点有堆集过多而形成凸状表面外形，看不见元器件引线轮廓，如图4-5(a)所示。

  (2) 焊料过少(干瘪)：

  波峰焊接中焊料未达到规定的钎料量，不能完全封住被连接的导线，使其部分暴露在外。从外观上看，吃锡量严重不足、干瘪，一般表现为接触角θ＜150，如图4-5(b)所示。

  有些人认为，焊点上的焊料量宁多勿少，多强度好，实际上这是一种错误的概念。大量的研究试验结论认为：钎接的结合强度不取决于钎接部位钎料量的多少，钎料量的单元面积的强度影响不大。在某一范围内，抗拉强度与钎料量大约成直线关系增加，但超过某一界限后就几乎不变。

  究竟多少就算合适呢？日本田中和吉分别以插孔引线和贴装引线两种安装实例作了如下说明。

  (A) 贴装圆形截面引线

  图4-7为贴装在PCB焊盘上的圆形截面引线，在图4-7(a)中，过引线的外圆周上的A(或B)点以引线半径r画一圆弧，在接触角为150的射线相切。该曲线下部的钎料量直接影响钎接强度；而位于该曲线上部的钎料量对强度几乎没有什么影响。当曲线半径r增大，失去圆弧并与接触角为450的一边完全重叠，如图4-7(b)所示，一旦超过直线，其强度值的误差变得很大，平均抗拉强度也比最高值低。

  针对图4-7(a)贴装圆形截面引线的敷形要求定性地规定如下：

  在图中4-7(a)中：

   A-B段：应以最小量的钎料覆盖在引线上；

  C段： 呈凹状的平滑外貌；

  D段： 包括焊盘、导线和钎料在内的整体须无一切外来物(多余物)；

  E段： 在此点导线、焊盘和钎料须完全融合在一起，且导线须紧贴在焊盘上。

  (A) 插装直引线

  在PCB上插装并焊接圆形截面引线时，在接触角θ小于150，则抗拉强度测量值的误差就大，且抗拉强度的平均温度值要比在良好的钎接状态得多，而当接触角θ大于450时，抗拉强度的误差也大，平均抗拉也比最大值低一些，接触角的最佳范围为：150＜θ＜450。美国学者E H Keeler给出的接状模型，如图4-8所示，图中要求钎料对伸出引线的浸润高度H≥3D。

  2.4.1.2 形因诊断

  上面分析了焊点的最佳敷形，那么敷形形状受哪些因素影响的呢？有下列三方面的情况。

  (1) 接头金属表面状态与敷形的关系

  (a) 引线表面状态与敷形的关系

  如果基体金属表面氧化，且助焊剂也难以消除时，或者由于基体金属表面的凹凸不平，在润湿角θ＞900的大润湿角状态下，引线表面的凹凸面上就变成机械啮合式的接合，由于它的润湿角很大，钎料隆起随之增大。

  (b) PCB铜箔表面状态与敷形的关系

  对PCB来说，由于表面可弹性差，或者由于存在着凹凸不平，使得PCB板的真实表面积增大了，在θ＞900(难于润湿)的场合下，结果就越来越向妨碍润湿方向发展，便得焊接表面敷形愈来愈恶化。

  (2) PCB布线设计不规范与敷形的关系

  (A) 尺寸配合不当的影响

  尺寸配合不当主要是指：焊盘与孔(简称盘一孔)、焊盘与引线(简称盘一线)、孔与引线(简称孔一线)等之间的尺寸配合关系，对此国家已制定了相应的约束标准，因此本文对此仅作定性分析如下：

  (a) 盘一线

  盘一线尺寸配合正确与否对焊点敷形影响很大，由图4-9所示，钎接过程中焊点的液滴要同时受到沿焊盘表面和引线表面两个方向的吸附力F1、F2的作用，而使液面成弯月状。当引线直径和伸出高度(H)一定时，吸附力F2则基本上是一个定值，因此吸附力F1将成为影响焊点敷形的主要因素。而力F2的大小取决于焊盘面积的大小。当出现大焊盘、小引线时，液滴大部分补力F1拉到焊盘表面上去，焊点外观表现为吃锡不足，干瘪。与此相似，当焊盘一定，而引线过粗或H值过大时，也会出现吃锡量不足、干瘪的轮廓敷形。

  (b) 焊盘与印制导线的连接

  基于与(a)同样的分析，在PCB布线设计时，若出现盘一线不分、连片、或者盘一线相近等情况时，如图4-10所示，也分出现焊点干瘪现象。

  (c) 盘一孔不同心的影响

  波峰焊接中沿焊盘圆周吃锡不均匀的现象，几乎都发生在盘一孔不同心的情况下，如图4-11所示，由于金属表面对液滴的吸附力是与表面面积的大小有关的，面积大的表面表现的吸附力也大，这就导致了液滴总是从窄处流向宽处，窄处的钎料被拉走，而出现沿圆周方向不对称的敷形，当然波峰焊接时倾角过大，夹送方向不妥也是造成此现象的原因之一。

  (1) 波峰焊接工艺参数选择与敷形的关系

  在波峰焊接操作中，若钎料槽温度过高，夹送速度过慢以及倾角过大时都将可能导致焊点干瘪。温度和夹送速度的影响，前面已有相近的解释，故不多叙。倾角过大时将迫使波峰的工作段前移到速度很大的区间。由于钎料液体下冲力很大，粘附在焊点上的钎料液滴被高速液流过渡冲刷。从而导致焊点干瘪且敷形不对称的不良焊点。

  另一方面，当预热温度不够，焊接温度偏低，或者传送速度太快，倾角过小时，又极易产生锐细而有光泽的拉尖。而当焊接温度过高；或者夹送速度太慢时；钎料与基体金属之间生成了不适宜的金属间化合物(如γ相的Cu31Sn8等)；或者是融入了其它金属杂质时，也往往出现带有光泽的圆状拉尖。

  2.5 空洞

  2.5.1 判据

  空洞亦称孔穴，是由于钎料尚未全部填满PCB的插件孔而出现的现象，如图4-12所示。这种缺陷有时也会造成电气导通不良。由于强度减弱，即便暂时焊上了，但在使用中会因环境恶化而脱焊。

  2.5.2 形因诊断

  (1) 孔-线配合关系严重失调，孔大引线小，波峰焊接时几乎100％出现孔穴现象；

  (2) PCB打孔偏离了焊盘中心；

  (3) 焊盘不完整；

  (4) 孔周围氧化或有毛刺；

  (5) 引线氧化、脏污、预处理不良；

  (6) 孔金属化处理时两种金属的热容量差别大。

  2.6 “放炮”孔

  2.6.1 判据

  “放炮”孔也有称为气孔或针孔，如图4-13所示。将引线扦入PCB板钎件孔内，波峰焊接时，在引线的根部附近出现有喷火口式的钎料隆起，其中心还有小孔，孔的下面往往还掩盖着很大的空间。焊点表面出现的这种球状小空穴，空穴内部是光亮且光滑的。“放泡”孔可以很小，要注意不要与钎料凝固时产生收缩所造成的一般表面凹痕相混淆。“放泡”孔这种缺陷乍看起来似乎是空洞，其实它与空洞是不相同的，空洞通常是贯空孔。其形因大多是孔-线间间隙配合不当等原因造成，而“放泡”孔是非贯穿孔，它们之间的形因有本质的不同。“放泡”孔这种缺陷在电气上暂时也能导通，不发生电气故障，但会因使用环境而恶化，钎料开裂造成导通不良。

  2.6.2 形因诊断

  (1) 助焊剂过量或焊前溶剂挥发不充分；

  (2) 环境中的水分或电镀的有机残留物夹杂在金属化孔中；

  (3) 夹杂在液态钎料中或截留在PCB板面上的空气泡造成；

  (4) PCB焊盘插件孔排气不良；

  (5) 波峰焊接时，被加热的基体金属的热容量很大，虽然焊接已经结束，但是它背面尚未冷却，由于热惯性，温度仍然上升，此时焊点外侧开始凝固，而焊点内部温度降低得慢，残留的气体仍然继续膨胀，挤压外表面上即将凝固的钎料而喷出。从而在焊点内部形成气泡。

  (6) 当焊点钎料量堆集过多时，焊后的凝固过程首先是从表面开始的，然后再往内部发展，由于表层首先凝固形成一固态外壳，再随着内部钎料由液体转变为固态的过程中，内部钎料体积不断收缩，从而留下了未能填充的小空间而形成内部空洞，这种空洞从焊点外观看无任何痕迹，只有靠X光探查才能发现，因此钎料过多的焊点是不可取的。

  2.7 受扰动焊点

  2.7.1 判据

  受扰动焊点通常外观粗糙，呈粉粒状，而且焊角不均匀，如图4-14所示。

  2.7.2 形因诊断

  当焊点正在凝固时，由于振动和抖动等原因，使元器件引线发生了位移，而造成焊点凝固不均匀，剩下尚未凝固的液态钎料，不能桥连所有已形成的晶粒界面，最终会产生应力而引起焊点断裂，传送带的抖动和振动是形成此缺陷的根源，在高可靠性产品中(如航天电子产品)采用钢带传送就能有效地避免此现象的发生。

  2.8 暗色焊点或颗粒状焊点

  2.8.1 判据

  此类焊点的主要特牲是表面呈暗灰色或者发白，有时表面还出现颗粒状(粗晶)。

  2.8.2 形因诊断

  (1) 钎料槽中金属杂质聚集造成，特别是钎料槽中杂质金属金和铜的过量积累，将很快使焊点外观呈暗灰色或者发白，纯净的钎料具有很强的韧性和抗拉强度，但是，当钎料层中过量生成铜锡合金时，这些合金和钎混合状态存在，使得钎料变脆，这种脆性是由于冷却时结晶颗粒收缩，并在晶间形成徽细龟裂所致、金的这种性质尤明显，它与锡、铅等金属生成脆性的、抗冲击性很弱的合金。因此，美国宇航局(NASA)采用了先清除镀金层，然后再进行软钎接的工艺。

  (2) 钎料中的含锡量降低，焊点的光亮主要是锡的作用而不是铅，在使用过程中锡在合金中因消耗而减少，造成焊点发暗；

  (3) 某些高活性助焊剂残留在焊点上时间过长，焊点受化学浸蚀而发暗；

  (4) 使用防氧化油时，钎料槽中已经碳化的防氧化油，也常常使焊点产生颗粒状和出现凹凸不平的外观；

  (5) 焊接时过热也会使钎料表面失去其特有的金属光泽。

  2.9 冷焊

  2.9.1 判据

  波峰焊后焊点出现熔滴状不规测的角焊缝，基体金属和钎料之间不润湿或润湿不足，甚至出现裂纹。

  2.9.2 形因诊断

  (1) 如果钎料槽的温度还远未达到润湿所要求的温度，就试图焊接，就将导致因温度过低基体金属润湿不良而导致电连接不良或根本没有连通；

  (2) PCB夹送速度太高，钎接时间过短，焊点基体金属无法热透；

  (3) PCB上存在着热容量差异过大的元器件，在正常焊接时由于热容量大的元器件的引脚焊点积累不到足够的热量，达不到发生润湿的温度。

  2.10 拉尖

  2.10.1 判据

  波峰焊接后PCB上局部钎料呈钟乳石状或冰柱形的现象，称为拉尖，如图4-15所示，拉尖大多发生在PCB铜箔电路的终端，PCB经过波峰时，PCB上的液态钎料下坠受到限制的时候，出现此现象，在高频、高压电路中，尤其需要注意此类缺陷。

  2.10.2 形因诊断

  拉尖发生的原因主要是：

  (1) PCB夹送倾角大小，例如：取倾角60～70时，就可以有效地抑制拉尖的形成：

  (2) 钎料槽中钎料受金属杂质锌或铝污染，当这些杂质金属含量增高时，钎料出现粘着力很大的氧化膜而导致的结果；

  (3) 钎料温度、夹送速度及助焊剂的活性和浓度等都能影响拉尖的形成。在波峰焊时，从拉尖的形状大致可以知道钎料槽的温度以及夹送速度是否合适。当拉尖有金属光泽且呈细尖状时，则不是钎料槽的温度低就是夹送速度过快；而当拉尖呈圆、短、粗而无光泽状态时，则原因正好与上完全相反。

  2.11 桥连

  2.11.1 判据

  钎料将PCB相邻的导线之间连接起来，叫做桥连，如图4-16所示。

  2.11.2 形因诊断

  桥连是波峰焊接中最常见的高发性焊接缺陷，形因相当复杂，故在第五章专门对此问题进行研究分析，此处从略。

  2.12 印制电路板起白点或分层

  2.12.1 判据

  这类缺陷，在浸焊或波峰焊接后常可发现这种毛病。白点或布纹出现在表面或材料里，既可在局部出现(如PCB板边缘或孔的周围)，也可在大面积上出现。

  2.12.2 形因诊断

  (1) 大面积起泡是由于基板层压材料中的湿气和挥发物引起的：

  (2) 机械加工不良使基板周边和孔周围出现分层，使得PCB在制造过程中吸收了水分或储存过程中吸收了湿气；

  (3) 层压板结构不均衡、层压板固化不完全、层压板应力释放不良或者铜箔延展性差；

  (4) 若波峰焊接过程中露出纤维或严重起白点，这是由于过度地与溶剂(助焊剂)接触的缘故，特别是含氧的溶剂，可使树脂软化所致。

  (5) PCB基板受热时，固定得很紧的大元件或连接终端会使基板材料产生很大的应力，结果在此密集区哉的周围起白点，基板在浸焊或波峰焊接过程中或之后，所受应力、挠曲既可在局部出现，也可能在大面上出现。

  针对上述原因，在波峰焊接之前将PCB板在温度100℃下烘烤1小时左右，这对抑制此缺陷是有益的。如果鉴定后确是基材质量不好所造成，则应当作废品报废。

  3. 清洗中产生的白色污染

  3.1 清洗中产生的缺陷之一──白色残留物

  PCB在不适当的清洗中所造成的白色残留物，如图4-17所示。产生白色残留物多。对于所有已被鉴定为白色残留物的问题，其形成情况却各不相同。主要形因如下：

  [1] PCB板的原因：由于基板制造中所使用的环氧树脂及阻焊膜固化不完全，在PCB焊后清洗时出现白的现象，它实际上是树脂的残留物，因此，严格控制PCB板的制造质量，是克服此现象的唯一措施；

  [2] 焊接过程中引的：当使用松香助焊剂时，在波峰焊接的高温下，松香与熔融的钎料合金发生化学反应，生成松香酸锡盐类，它不易被清洗干净而使PCB板面泛白；

  [3] 助焊剂引起的：这是产生白色残留物的主要原因，它主要是由于松香助焊剂的聚合作用或水浸泡漆膜所引起的，当那些助焊剂的材料中的松香聚合的时候，某些松香成为长链分子，这些长链分子不能溶于通常使用的溶剂，因此，清洗助焊剂的溶剂只溶解短链松香和原来的松香，而后留下的粘性很强的白色粉末则是聚合松香，一旦形成了聚合松香，甚至连最好的助焊剂溶剂也不能溶解它。然而，有一种方法可以除去它。即将PCB用一种松香基助焊剂再涂覆，则在助焊剂中的松香就可以溶解聚合松香，只要溶液中有足够的松香提供给聚合松香溶解，整块PCB板就能很容易地用常规的清洗方法重新清洗；

  [4] 清洗溶剂引起的：使用醇类清洗剂时，醇类清洗剂与松香酸作用生成松香脂而成为白色残留物，由于清洗溶剂大多沸点都较低，当它挥发时会吸收周围空间的热量，若在潮湿的环境下，随着溶剂的挥发会造成空气中水分冷凝，在PCB上留下白色斑痕。此外，清洗溶剂的选择必须考虑与清洗对象(如助焊剂、阻焊剂、预涂助焊剂等)的相容性，若不相容也会引起发白。

  3.2 清洗中产生的缺陷之二──白色粉点

  由于清洗方法不当或不彻底而产生的另一种缺陷，即在PCB板和表面涂层之间形成的白色粉末状斑点，如图4-18所示。不要把这种白色粉点和前面介绍的层压基板的起白点混淆。虽然两种缺陷看起来相似，然而它们之间却有本质的差别。层压基板起白点与多层PCB板某些分层有关，它是发生在层压板中缺少权脂的地方，而且早在波峰焊接之前就能显露出来。而白色粉点的出现则是PCB板上离子污染的症状，它表明PCB清洗不彻底，是一种严重危害PCB电路部件长期工作可靠性的一种缺陷。

  形成白色粉点的根本原因是PCB清洗不彻底，存在离子污染的结果。例如在PCB板上当存在氯元素时，氯就要浸蚀钎料中的铅，形成的氯化铅(PbCl2)是附着力相当差的化合物，在含有CO2的潮湿空气中，氯化铅是不稳的，会形成循环腐蚀反应，这样氯化铅很容易转变为较稳定的碳酸铅，并在转变过程中释放出另一个氯离子，该氯离子再次游离侵蚀氧化铅。该转变过程的最终产物碳酸铅层是多孔的白色粉点状材料，它不能保护金属。上述反应过程一直无休止地循环进行下去，直到钎料合金中的所有铅都消耗尽为止。

  4. 波峰焊接中常见缺陷的因果关系图

  4.1 拉尖