基于金相分析的PCB焊接質量研究與應用

李會超 施清清 王大波

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量進行管控。金相分析通過顯微鏡，利用光學原理，觀測材料內部結構，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行分析，保證焊點機械可靠性及抗疲勞性能，提高產品性能及可靠性。

關鍵詞：PCB;金相分析;波峰焊;焊接質量;可靠性

0引言

印制電路板（PCB）廣泛應用于電子工業中，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。波峰焊作為當下重要的自動焊接技術之一，其因焊點可承受較大機械應力，裝配簡單，成本低廉等優點廣泛應用于非便攜式電子產品的制作工藝中，如家電、大功率電源。焊接質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）還將影響產品電氣安全性能。如圖1所示，為焊接不良導致器件失效。當PCB上存在大吸熱器件時，如何保證產品焊接質量的可靠性，是電子行業工藝優化關注的熱點。

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展，其局限性日益突出，單純通過PCB的導通性、絕緣性或人工經驗來判斷缺陷的發放逐步被替代。自動光學檢測（Automatic Optic Inspection，AOI）作為電子行業比較成熟的自動化檢測技術，對于通孔、橋連等焊接異常有較高的檢查精度。但是對于焊點內部合金層形成、焊點透錫高度、沉銅厚度等影響產品運行可靠性的工藝參數無法識別，存在測試盲區。金相分析通過對焊點內部組織進行觀察，判斷焊點質量，提高產品可靠性。

1金相分析

金相分析是材料學中常用的一種分析手段，通過高倍光學顯微鏡，利用光在不同介質分界面的光學現象，觀察某種材料內部組織結構，判斷其屬性是否發生變異，有助于質量檢驗、失效分析、新工藝、新材料等工作的可靠性。因此，其應用領域也擴展到了電子行業，常見的有芯片內部晶元解剖、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，避免待分析組織變形。

4）磨制后的樣本拋光。磨制后經過粗拋光、細拋光應保證表面無磨痕，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設備及儀器

主要設備包括試樣鑲嵌機、預磨機、拋光機、金相顯微鏡及其他輔助設備。

2.2波峰焊工藝參數合理性

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，焊接質量尤為重要。手工焊接因存在焊接時長無法把控、易產生錫珠等問題在電子制造業已逐步被淘汰。波峰焊技術作為電子工業中一種重要工藝，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：第一類為波峰焊設備設定參數，如助焊劑流量、鏈速、預熱溫度、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。波峰焊參數設置不合理不僅影響焊接質量，還將造成生產成本、效率浪費。

傳統的參數設置效果以PCB過爐后是否有橋連、通孔、上錫不良等作為直觀判斷依據，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卻無法識別。提高波峰焊工藝參數合理性，進而提高設備綜合利用率是電子制造工藝的追求目標之一，而金相分析提供為其提供了解決方案。

經驗證，影響焊接的主要參數包括爐溫、鏈速、助焊劑流量及種類。因助焊劑種類在選型固定后，生產階段不存在切換情況，因此論文主要對前三種參數的組合進行驗證。

以某款PCB為例，3個參數分別設置如表1所示。

不良：第一類為器件引腳異常（氧化、粘有異物等）導致無法上錫;第二類為焊接過程異常導致引腳上錫不良，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準。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：透錫標準、氣泡體積、合金層以及PCB過孔沉銅厚度。針對不同的產品，以上4個參數標準不盡相同，以家電類產品為例，要求各項參數需滿足以下條件：

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20um。

某次生產過程中，扼流圈引腳因固定底座的白膠殘留在引腳上，導致引腳通孔，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果如圖6右所示，表明加錫處理方案滿足焊接要求。

生產過程中因波峰焊設備異常，需對已生產的PCBA進行評估。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39um，滿足20um的工藝要求。

3結語

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