金相分析与PC B焊接质量研究

fordies1

印制电路板（PCB）广泛应用于电子工业中，电子 元器件在PCB上的焊接方式通常包括手工焊和自动焊接 两类。波峰焊作为当下重要的自动焊接技术之一，其因 焊点可承受较大机械应力，装配简单，成本低廉等优点 广泛应用于非便携式电子产品的制作工艺中，如家电、 大功率电源。焊接质量异常将影响焊点机械可靠性、 抗热疲劳性能，对于一些强电器件（扼流圈，PFC电感 等）还将影响产品电气安全性能[1]。如图1所示，为电子产品世界焊接 不良导致器件失效。当PCB上存在大吸热器件时，如何 保证产品焊接质量的可靠性，是电子行业工艺优化关注 的热点。
) H# T5 q/ H, d0 V2 ]- w
9 E, H3 a. D  U; ~' v0 h' yPCB焊接检验分为接触式检测、人工检测和新型自 动化检验。接触式检验和人工检验随着电子集成电路的 发展，其局限性日益突出，单纯通过PCB的导通性、绝 缘性或人工经验来判断缺陷的发放逐步被替代。自动光 学检测（Automatic Optic Inspection，AOI）作为电子行 业比较成熟的自动化检测技术，对于通孔、桥连等焊接 异常有较高的检查精度[2]。但是对于焊点内部合金层形 成、焊点透锡高度、沉铜厚度等影响产品运行可靠性的 工艺参数无法识别，存在测试盲区。金相分析通过对 焊点内部组织进行观察，判断焊点质量，提高产品可 靠性[3-4]。

: l" w* P  S5 {( v1  金相分析
( b2 C+ C% y/ w& e* I1 g金相分析是材料学中常用的一种分析手段，通过高 倍光学显微镜，利用光在不同介质分界面的光学现象， 观察某种材料内部组织结构，判断其属性是否发生变 异，有助于质量检验、失效分析、新工艺、新材料等工 作的可靠性。因此，其应用领域也扩展到了电子行业，常见的有芯片内部晶元解剖、PCB板过孔不通、PCB可 焊性分析等。 金相分析通常包括以下几个步骤： 1）选取待分析样本。选取需要分析的部件，大小 适宜，满足镶嵌。
2）镶嵌待磨制样本。将样本放入镶嵌机，加入镶 嵌粉，高温、高压模式下成型。成型时间视镶嵌粉材质 有所不同。
" P9 r5 R: }0 M3 ^# r  w3）镶嵌后的样本磨制。磨制时需边磨边用水冷 却，磨制力度、时间得当，避免待分析组织变形。
4）磨制后的样本抛光。磨制后经过粗抛光、细抛 光应保证表面无磨痕，像镜面，吹干后无水渍和污渍。
5）抛光后样本观察。使用高倍显微镜观察组织 情况。

5 j1 u' A' o( b. H9 _$ l& u; I2  金相验证
2.1 设备及仪器
. k) r) V" B4 T& {- c4 `主要设备包括试样镶嵌机、预磨机、抛光机、金相 显微镜及其他辅助设备。
# v3 }9 r$ q8 E2 U+ b! ~1 @+ o! B0 L" ~2.2 波峰焊工艺参数合理性
对于高压电解电容、PFC电感、扼流圈等强电器 件，因其特殊的承载及电气安全要求，焊接质量尤为重 要。手工焊接因存在焊接时长无法把控、易产生锡珠等 问题在电子制造业已逐步被淘汰。波峰焊技术作为电子 工业中一种重要工艺，主要用于自动焊接自插、手工插 装器件。影响波峰焊焊接工艺的因素主要包括两类：第 一类为波峰焊设备设定参数，如助焊剂流量、链速、预 热温度、炉温曲线等；第二类为PCB板特性，包括板材 厚度、焊盘元器件布局等。波峰焊参数设置不合理不仅 影响焊接质量，还将造成生产成本、效率浪费。
传统的参数设置效果以PCB过炉后是否有桥连、通 孔、上锡不良等作为直观判断依据，但对于焊点填充高 度、焊点合金层等影响焊点可靠性的参数却无法识别。 提高波峰焊工艺参数合理性，进而提高设备综合利用率 是电子制造工艺的追求目标之一，而金相分析提供为其 提供了解决方案。
+ d$ U6 l6 Y4 K5 i' i经验证，影响焊接的主要参数包括炉温、链速、助焊剂流量及种类。因助焊剂种类在选型固定后，生产阶 段不存在切换情况，因此论文主要对前三种参数的组合 进行验证。
0 u) q1 ?: V7 p6 W6 W7 c( s2 M: K以某款PCB为例，3个参数分别设置如表1所示。

不良：第一类为器件引脚异常（氧化、粘有异物 等）导致无法上锡；第二类为焊接过程异常导致引脚上 锡不良，更换元器件亦或是直接采用手工加锡的处理方 案，都存在成本、资源浪费，且不能保证处理后的PCB 是否满足焊接工艺标准。而金相分析为此类异常提供了 可靠的解决方案。使用金相分析对PCB焊接效果评估， 主要依照如下参数：透锡标准、气泡体积、合金层以及 PCB过孔沉铜厚度。针对不同的产品，以上4个参数标 准不尽相同，以家电类产品为例，要求各项参数需满足 以下条件：
1）透锡高度≥75%；
3 w) w! s) E" `# m* R, k4 W3 M2）100倍放大镜下下有明显合金层；
+ `/ K+ g7 o1 |4 Y8 C气泡体积不超过焊点体积的30%；
PCB过孔沉铜厚度不小于20 μm。
3  结语
金相分析简单直观，是质量控制、失效分析、新材 料新工艺开发等工作不可缺失的一部分。焊接质量作为 影响控制器运行可靠性的重要参数，文章采用金相方法 对多类别焊接不良进行分析，表明其有对于提高PCB焊 接质量、提高产品可靠性方面具有独特优势。
  }6 M* f! F: h* ~% Z  o

+ `6 V  o3 T! j5 V

: j# O4 W2 W( t

谢谢侬

金相分析是材料学中常用的一种分析手段，通过高 倍光学显微镜，利用光在不同介质分界面的光学现象， 观察某种材料内部组织结构，判断其属性是否发生变 异，有助于质量检验、失效分析、新工艺、新材料等工 作的可靠性。