基于金相分析的PC B焊接質(zhì)量研究與應(yīng)用

李會(huì)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(cè)識(shí)別PCB焊點(diǎn)焊接可靠性，提出采用金相分析對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行管控。金相分析通過(guò)顯微鏡，利 用光學(xué)原理，觀測(cè)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)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(diǎn)機(jī)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(dòng)焊接 兩類(lèi)。波峰焊作為當(dāng)下重要的自動(dòng)焊接技術(shù)之一，其因 焊點(diǎn)可承受較大機(jī)械應(yīng)力，裝配簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn) 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(diǎn)機(jī)械可靠性、 抗熱疲勞性能，對(duì)于一些強(qiáng)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(shí)，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(diǎn)。

PCB焊接檢驗(yàn)分為接觸式檢測(cè)、人工檢測(cè)和新型自 動(dòng)化檢驗(yàn)。接觸式檢驗(yàn)和人工檢驗(yàn)隨著電子集成電路的 發(fā)展，其局限性日益突出，單純通過(guò)PCB的導(dǎo)通性、絕 緣性或人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷缺陷的發(fā)放逐步被替代。自動(dòng)光 學(xué)檢測(cè)（Automatic Optic Inspection，AOI）作為電子行 業(yè)比較成熟的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于通孔、橋連等焊接 異常有較高的檢查精度^[2]。但是對(duì)于焊點(diǎn)內(nèi)部合金層形 成、焊點(diǎn)透錫高度、沉銅厚度等影響產(chǎn)品運(yùn)行可靠性的 工藝參數(shù)無(wú)法識(shí)別，存在測(cè)試盲區(qū)。金相分析通過(guò)對(duì) 焊點(diǎn)內(nèi)部組織進(jìn)行觀察，判斷焊點(diǎn)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(guò)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(yàn)、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(kuò)展到了電子行業(yè)，常見(jiàn)的有芯片內(nèi)部晶元解剖、PCB板過(guò)孔不通、PCB可 焊性分析等。 金相分析通常包括以下幾個(gè)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(jī)，加入鑲 嵌粉，高溫、高壓模式下成型。成型時(shí)間視鑲嵌粉材質(zhì) 有所不同。 

3）鑲嵌后的樣本磨制。磨制時(shí)需邊磨邊用水冷 卻，磨制力度、時(shí)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(guò)粗拋光、細(xì)拋 光應(yīng)保證表面無(wú)磨痕，像鏡面，吹干后無(wú)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(yàn)證 

2.1 設(shè)備及儀器 

主要設(shè)備包括試樣鑲嵌機(jī)、預(yù)磨機(jī)、拋光機(jī)、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(duì)于高壓電解電容、PFC電感、扼流圈等強(qiáng)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(shí)長(zhǎng)無(wú)法把控、易產(chǎn)生錫珠等 問(wèn)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(dòng)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(lèi)：第 一類(lèi)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(lèi)為PCB板特性，包括板材 厚度、焊盤(pán)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(fèi)。 

傳統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置效果以PCB過(guò)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(duì)于焊點(diǎn)填充高 度、焊點(diǎn)合金層等影響焊點(diǎn)可靠性的參數(shù)卻無(wú)法識(shí)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(yàn)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(lèi)。因助焊劑種類(lèi)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(duì)前三種參數(shù)的組合 進(jìn)行驗(yàn)證。 

以某款PCB為例，3個(gè)參數(shù)分別設(shè)置如表1所示。

不良：第一類(lèi)為器件引腳異常（氧化、粘有異物 等）導(dǎo)致無(wú)法上錫；第二類(lèi)為焊接過(guò)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(fèi)，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(lèi)異常提供了 可靠的解決方案。使用金相分析對(duì)PCB焊接效果評(píng)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(guò)孔沉銅厚度。針對(duì)不同的產(chǎn)品，以上4個(gè)參數(shù)標(biāo) 準(zhǔn)不盡相同，以家電類(lèi)產(chǎn)品為例，要求各項(xiàng)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(guò)焊點(diǎn)體積的30%； 

PCB過(guò)孔沉銅厚度不小于20 μm。 

某次生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)程中因波峰焊設(shè)備異常，需對(duì)已生產(chǎn)的PCBA 進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)金相分析，如圖7所示，表明引腳透錫高 度及焊點(diǎn)合金層形成異常。通過(guò)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(shí)，PCB過(guò) 孔沉銅厚度為39 μm，滿足20 μm的工藝要求。

3  結(jié)語(yǔ) 

金相分析簡(jiǎn)單直觀，是質(zhì)量控制、失效分析、新材 料新工藝開(kāi)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(yùn)行可靠性的重要參數(shù)，文章采用金相方法 對(duì)多類(lèi)別焊接不良進(jìn)行分析，表明其有對(duì)于提高PCB焊 接質(zhì)量、提高產(chǎn)品可靠性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)： 

[1] 王曉敏.無(wú)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. 

[2] 高靜.基于深度學(xué)習(xí)的圖像超分辨重建及其在PCB焊接質(zhì)量檢 測(cè)檢測(cè)的應(yīng)用[D].西安:西安電子科技大學(xué),2018. 

[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(zhǎng) 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(bào)(自然 科學(xué)版),2016,15(4):17-21．