1虛焊現象及其判據

1.1虛焊現象

虛焊現象1：


表麵不潤濕，焊點表麵呈粗糙的形狀、光澤性差、潤濕性不好(潤濕角θ＞90度)，如圖1所示。此時釺料和基體金屬界麵之間為一層不可焊的薄膜所阻檔
，界麵層上未能發生所期望的冶金反應(形成適當厚度的合金層Cu6Sn5+Cu3Sn)。這是一種顯形的虛焊現象，從外觀上就能判斷。

虛焊現象2：

表麵潤濕
，但釺料和基體金屬界麵未發生冶金反應(未形成適當厚度的合金層Cu6Sn5+Cu3Sn)
，如圖2所示。它是一種穩形的虛焊現象，外觀不易判斷，因而危害極大。

1.2虛焊的判據

上麵所表述的兩種不同的虛焊現象，其共同特點都是結合界麵未發生冶金反應，未形成合適厚度(1.5～3.5)μmdehejinceng。yinci，jiehejiemianshangshifouxingchengleheshihoududetongxihejincengjiugouchenglexuhanxianxiangdeweiyipanju。cishiruojianghandiansilie，jiukefaxianqianliaohejitijinshuzhijianxianghuchengquanyajiaocuozhuangdeliehen

，jijitijinshushangyouqianliaocanliuwu，qianliaoshangyeyoujitijinshudehenji。xiangfan
，ruojiangxuhandiansilieshi，zaijitijinshuheqianliaozhijianmeiyourenhexianghuxierudecanliuwu，ershihenqingchudexianghufenkai，haosiyongjianghuzhanwangdeyiyang。

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2．虛焊的形成機理

2.1軟釺接過程中所發生的物理現象

2.2.1軟釺接接合的物理過程

通過軟釺接，金屬為什麼會接合到一起並形成連接強度呢
？以常用的錫-鉛合金軟釺料來說
，它是通過軟釺料潤濕接合金屬表麵，利用擴散作用在界麵產生合金層(金屬間化合物)，從而結成一體。以波峰焊接為例，在合適的溫度作用下，焊點在軟釺接過程中所發生的物理化學過程，按照發生的先後可描述如下：

2.2.2潤濕作用及Young定理

2.2.2.1潤濕作用

軟釺接過程中接合作用的第一步
，是軟釺料借助毛細管現象在接合金屬表麵上充分鋪展開，這現象就叫做潤濕。
為wei使shi熔rong融rong的de軟ruan釺qian料liao潤run濕shi固gu體ti金jin屬shu表biao麵mian，必bi須xu具ju備bei一yi定ding的de條tiao件jian。其qi條tiao件jian之zhi一yi就jiu是shi被bei焊han金jin屬shu表biao麵mian必bi須xu是shi潔jie淨jing的de。這zhe樣yang軟ruan釺qian料liao與yu被bei接jie合he的de基ji體ti金jin屬shu的de原yuan子zi間jian距ju離li才cai能neng接jie近jin到dao原yuan子zi間jian力li作zuo用yong的de程cheng度du。

2.2.2.2潤濕過程中的作用力

⑴作用於原子間的力

zaigaowenxiajuyouzhanxingdeerxiangtongjinshujian，zhiyaozaigaowenxiajiashangbudadeyali
，jiukeyishitamenzhijianxianghujinmitiehe。ruanqianjieshi，yinweiruanqianliaochuyurongrongzhuangtai，zaijinshubiaomianchanshengrunshi，buxujiawaili
，zhiyaojitijinshubiaomianshijiejingde，jiunenghenrongyididadaoyuanzijianlizuoyongsuoxuyaodejuli。

⑵熔融金屬的聚合力及附著力

runshishiwuzhisuojuyoudejuhelidezuoyongjieguo，erjinmitieheyubiaomianzhangliyouguan。chanshengbiaomianzhanglideyuanyinshijuheli。weilefenxiciwenti，womenyizaiboliguanzhongdeyetiheguanbijiechubuweidezhuangtailaishuoming
，rutu3所示。
在圖3中，液體分子受到對玻璃壁的附著力Ff及液體本身的聚合力Fc的作用(忽略重力作用)，按液麵形狀作用於液麵分子的外力是垂直於液麵的。圖3(左)由於水與玻璃壁之間的附著力大
，所以合力Fd的方向是指向玻璃壁內的。因此
，合力Fd與yu成cheng直zhi角jiao的de液ye麵mian成cheng為wei凹ao麵mian。當dang出chu現xian這zhe種zhong凹ao麵mian時shi，因yin表biao麵mian張zhang力li作zuo用yong產chan生sheng收shou縮suo力li，而er使shi管guan內nei液ye麵mian上shang的de壓ya力li減jian少shao。然ran而er在zai同tong一yi液ye麵mian上shang各ge點dian的de壓ya力li必bi然ran是shi相xiang等deng的de，所suo以yi液ye麵mian上shang升sheng。

在(zai)軟(ruan)釺(qian)接(jie)中(zhong)
，潤(run)濕(shi)和(he)熔(rong)融(rong)釺(qian)料(liao)的(de)聚(ju)合(he)力(li)及(ji)基(ji)體(ti)金(jin)屬(shu)的(de)附(fu)著(zhe)力(li)有(you)關(guan)，聚(ju)合(he)力(li)越(yue)弱(ruo)，即(ji)固(gu)體(ti)麵(mian)與(yu)液(ye)體(ti)原(yuan)子(zi)的(de)附(fu)著(zhe)力(li)比(bi)液(ye)麵(mian)原(yuan)子(zi)聚(ju)合(he)力(li)越(yue)大(da)，越(yue)易(yi)產(chan)生(sheng)毛(mao)細(xi)管(guan)現(xian)象(xiang)。

youcikezhi
，weishixianruanqianjie，shouxianyaochanshengrunshi，youyurunshi
，dangruanqianliaoyujitijinshudeyuanzijianjulifeichangjiejinshi，yuanzidejuhelijifashengzuoyong，shiruanqianliaoyujitijinshuhebingweiyiti，wanchenglejiehe。
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⑶表麵張力

biaomianzhanglishizaiyetidebiaomianfenziyinshoujuhelidezuoyongerbeilaxiangyetineibu

，chengweibiaomianmianjizuixiaoshisuofashengde。zaiyetineibudemeigefenzi
，beiqitafenzisuobaowei
，shoulizhuangtaishipinghengde。eryemiandefenzi，yinqishangbucunzaizhebutongdexiang
，erzhegexiangdefenzimiduxiao，yinershoudaochuizhiyuyemianbingzhixiangyetineibudeli。yinci，zaiyetibiaomianchanshengjiemoxianxiang，shibiaomianmianjishousuoweizuixiao(球形)。這種力就是表麵自由能，該力稱為表麵強力。

⑷毛細管現象
在zai潔jie淨jing的de固gu體ti金jin屬shu表biao麵mian上shang
，放fang置zhi熔rong融rong狀zhuang態tai的de潔jie淨jing釺qian料liao，釺qian料liao液ye體ti就jiu會hui在zai固gu體ti金jin屬shu表biao麵mian擴kuo展zhan並bing潤run濕shi固gu體ti金jin屬shu。這zhe一yi現xian象xiang是shi液ye態tai釺qian料liao在zai固gu體ti金jin屬shu表biao麵mian的de細xi小xiao凹ao凸tu間jian隙xi中zhong，借jie助zhu於yu毛mao細xi管guan現xian象xiang，向xiang四si方fang擴kuo展zhan而er引yin起qi的de。

2.2.2.3Young定理

液態釺料在固體金屬表麵的潤濕過程，則產生下述自由能
，如圖5所示。
圖5中：
FSF：固體金屬與助焊劑之間的界麵張力(自由能)；
FLS：液態釺料與固體金屬之間的界麵張力(自由能)；
FLF：液態釺料與助焊劑之間的界麵張力(自由能)

；
θ：接觸角；
cosθ：潤濕係數。

這些自由能之間的關係可以用Young定理來描述，即：PSF=PLS+PLFcosθ  (1)
設附著功為Wa，其近似值可用下式表示：Wa=PSF+PLF－PLS  (2)
由式(1)和式(2)可得到：Wa=PLS＋PLFcosθ+PLF－PLS＝PLF(cosθ＋1) (3)

圖5中的“A”點上三個矢量的平衡狀態
，表示了表麵能的平衡
，PLF是作用於與液體曲麵相切方向的液體的表麵張力，也就是使液態釺料表麵積為最小的力。θ為1800時
，為完全不潤濕狀態，而θ為00時，為完全潤濕。在工業批生產中可作如下分級：
00≤θ≤300  潤濕優良
300≤θ≤400  潤濕良好
400≤θ≤550  潤濕可接受
550≤θ≤700  潤濕不良
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2.2.3擴散作用及Fick定理

2.2.3.1擴散作用

zaijieheguochengzhong，zaifashengrunshixianxianghoulijibanyoukuosanzuoyong，yinerxingchenglejiemiancenghuohejinceng。yinjinggezhongjinshuyuanzibuduandijinxingzherezhendong
，dangwendudadaozugougaoshi，jiucongyigejinggexiangqitajinggeziyouyidong，zhexianxiangchengweikuosan。yidongdesudujishuliangyuwenduheshijianyouguan。

擴散隨釺料
、固體金屬的種類及溫度等的不同而各異，由擴散而形成的中間層，對接合部的物理、化學性能，特別是機械性能
、抗蝕性能有很大的影響。

軟釺接中，釺料在基體金屬的晶粒中的擴散稱體擴散
，擴散到基體金屬內部晶粒中的Sn可產生不同組分的界麵合金層，如圖6所示。2.2.3.2金屬間化合物
ruanqianjieshiyikaozaijiehejiemianshangshengchenghejincengerxingchenglianjieqiangdude。zhezhonghejincengtongchangshiyizhongjinshujianhuahewu。zhezhongyihejindejinshuchengfenanyuanziliangdebilijiehedehuahewu，jiaozuojinshujianhuahewu。
當用Sn/Pb係釺料焊接銅時，釺料中的Sn向銅中擴散而產生Cu-Sn-Cu的結合，這種結合與接合有關。在普通溫度下生成Cu3Sn(ε相)(基體金屬側)、Cu6Sn5(η相)(釺料側)，而在300℃以上時則將出現Cu31Sn8(γ相)以及其它結構不明的合金。

jinshujianhuahewushiyizhongyingdugaoercuixingdadehejinxiang。tongyuxidehuaxueqinhelihenqiang，yinci，zaiqianjiejiemianshangtongyuxixingchengdejinshujianhuahewushengchanghenkuai，juyouguanziliaojieshao
，chunxizai265℃液態下與銅生成的金屬間化合物層，一分鍾就能達到1.25μm的厚度。

2.2.3.3Fick定律

Fick定律描述了在軟釺料過程中擴散現象發生的規律：
dm＝－DSdt  (4)
式中：dm─釺料組分的擴散量；
D─擴散係數
；
S─擴散麵積；
─沿擴散方向擴散組分的濃度梯度；
dt─擴散時間。

由公式(4)可知，擴散數量與濃度梯度、擴散係數、擴散麵積、和he擴kuo散san時shi間jian有you關guan。公gong式shi中zhong的de負fu號hao表biao示shi擴kuo散san是shi由you高gao濃nong度du向xiang低di濃nong度du方fang向xiang進jin行xing
，當dang釺qian料liao中zhong某mou些xie組zu分fen的de含han量liang比bi被bei焊han金jin屬shu高gao時shi，由you於yu存cun在zai濃nong度du梯ti度du
，就jiu會hui發fa生sheng該gai組zu分fen向xiang被bei焊han金jin屬shu中zhong擴kuo散san。一yi般ban固gu態tai金jin屬shu在zai液ye相xiang中zhong的de擴kuo散san係xi數shu約yue在zai10-5g/cm2sec數量級。所以被焊金屬在液態釺料中的擴散速度比液態釺料在固體的被焊金屬中的擴散速度要大的多。

液態釺料向被焊的固態金屬中擴散常見的形式為：液態釺料沿被焊金屬表麵
、結晶內部以及晶界等方式進行。對於用錫-鉛釺料釺接銅時多發生沿表麵和晶內的擴散方式
，如圖7所示。 [page]
用Sn/Pb係釺料焊接銅時，錫和銅能形成合金
，而鉛不與銅形成合金。因此，隻有Sn以一定速度擴散到基體金屬銅中去，而鉛不進行擴散(原地不動)。這種隻有Sn擴散的現象叫選擇擴散

，如圖8所示。
出現選擇擴散時
，當靠近銅的Sn擴散到銅內後，距銅較遠的Sn原子則由於Pbyuanzidezudangjianmanlekuosansudu。jingguoyidingshijianhouzaikaotongdefujinhuixingchengfuqianceng。chuxianqianpianxixianxiangshi
，wangwangshijiehejiemiandexingzhifashengzhongzhongbianhua，daozhijieheqiangdujijuxiajiang。

3虛焊現象發生的條件

3.1虛焊現象1的發生條件

虛焊現象1的特征是：既未發生潤濕又未發生擴散
，好似用漿糊粘住似的，這種接頭不能叫釺接，隻能叫粘可焊性差甚至不可焊。其形因不外乎是：

⑴ 外部原因

外購PCB、元器件等可焊性不合格
，進入公司庫房前未進行嚴格的入庫驗收試驗；

⑵ 庫存環境不良，庫存期大長。

由於儲存環境和儲存期限與保持PCB和元器件良好的可焊性有著密切的關係。因此
，PCB和元器件的存儲環境必須具備恒溫、恒濕、空氣質量好，無腐蝕性氣體(如硫、氯等)和無油汙的環境中儲存。否則會導致可焊性劣化。

多數助焊劑隻能除掉鏽和氧化膜，而不能去除油脂那樣的有機薄膜。如果元器件和PCB在儲存過程中，PCB和元器件上沾上了油脂等汙染物後，會產生錫、鉛的偏析和針孔，降低焊接強度。也容易在鉛的偏析和釺料界麵上產生裂紋，從外現看並無異常，但卻是潛伏著影響可靠性的因素。

儲存期的長短應視地區(例如南方、北方)和當地的空氣質量而定，一般希望庫存期愈短愈好。

例如PCB在大氣中放置一個月後，可焊性明顯變差且容易附著氣泡(吸潮)
，如圖9所示。特別是在拆除真空封裝狀態上線插件後
，在濕熱或空氣汙染厲害的地區在流水線上滯留時間最好不要超過24小時就完成焊接工序。 [page]
3.2虛焊現象2的發生條件

3.2.1虛焊現象2形成的物理過程
 
虛焊現象2的特征是：發生了潤濕但未發生擴散
，它表明了PCB及元器件的可焊性不存在問題，出現此現象的根本原因是焊接的工藝條件選擇不合適。
我們知道軟釺接過程中原子的擴散現象是雙向的
，即：

⑴被焊金屬(基體金屬)向釺料中的擴散
被焊金屬在釺料中的溶解條件是：釺料和被焊金屬在液態下能夠互溶，則在釺接過程中被焊金屬就能溶於液態釺料。被焊金屬在液態釺料中的溶解量可用下式表示：
G＝ρyCy(1-e)  (5)
式中：G─被焊金屬的溶解量；
ρy─ 液態釺料密度
；
Cy ─ 被焊金屬在液態釺料中的極限溶解度
；
Vy ─ 液態釺料的體積
；
a ─ 被焊金屬原子在液態釺料中的擴解係數；
t ─ 接觸時間；
s ─ 液相和固相的接觸麵積。

由公式(5)可以看出：隨著釺接溫度的提高和釺接保溫時間的延長，被焊金屬在液態釺料中的溶解量都會增多。溫度對溶解量的影響
，主要反映在式(5)中溶解度係數a的增大上，如圖10所示。
ruoqianliaoyubeihanjinshunengxingchengjinshujianhuahewushi
，youyujinshujianhuahewudechuxian，zuailebeihanjinshuxiangqianliaozhongderongjiesudu。zaihuahewuxingchengdewenduquxianshangbiaoxianchurongjiesuduyousuoxiajiang，rutu11所示。

被焊金屬向釺料中擴散過程，由於被焊金屬元素溶於釺料中
，與釺料成分起合金化作用。因而使得釺接接頭性能提高了，例如Sn的抗拉強度σb=1.5kg/mm2，而形成銅、錫合金層後的接頭抗拉強度提高到σb=5.7kg/mm2。

當然被焊金屬溶於釺料的量不適當(偏多)時
，也是帶來使釺料熔點提高、流動性變差、被焊金屬出現溶蝕等不良後果的原因。

⑵釺料組分向被焊金屬中擴散

由Fick定理可知：在一定的溫度下，釺料組分中的Sn向被焊金屬中的擴散量也是與加熱的時間成正比的，它表明了適宜的合金層的形成是需要時間的。

因此焊接溫度偏低
，焊接時間偏短是造成虛焊現象2發生的主要原因。
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3.2.2波峰焊接中如何控製合金化過程

波峰焊接中PCB通過波峰時其熱作用過程大致可分為三個區域，如圖12所示。
⑴助焊劑潤濕區

被覆在PCB板麵上的助焊劑
，經過預熱區的預熱，一接觸釺料波峰後溫度驟升，助焊劑迅速在基體金屬表麵上潤濕
、漫延。受溫度的劇烈激活
，釋放出最大的化學活性迅速淨化被焊金屬表麵。此過程大約隻需0.1秒的時間即可完成。

⑵釺料潤濕區

jingguozhuhanjijinghuadejitibiaomian
，zaijitijinshubiaomianxifulidezuoyongxiahezhuhanjidetuodongxia，xunsuzaijitijinshubiaomianshangmanliukailai。yidandadaoqianliaoderunshiwenduhou，runshiguochengbianlijifasheng。ciguochengtongchangzhixu10-3sec即可完成。

⑶合金層形成區

釺料在基體金屬上發生潤濕後，擴散過程便緊隨其後發生。由於生成最適宜厚度的合金層(3.5μm左右)需要經曆一段時間過程。因此
，潤濕發生後還必須有足夠的保溫時間

，以獲得所需要厚度的的合金層。通常該時間為(2～5)sec。保bao溫wen時shi間jian之zhi所suo以yi要yao取qu一yi個ge範fan圍wei，主zhu要yao是shi受shou被bei焊han金jin屬shu熱re容rong量liang的de大da小xiao而er不bu同tong。熱re容rong量liang大da的de，升sheng溫wen速su率lv慢man，獲huo得de合he適shi厚hou度du的de合he金jin層ceng的de時shi間jian自zi然ran就jiu得de長chang一yi些xie；而熱容小的
，升溫速率快，合金層的生成速度也要快些，因而保溫時間就可以取得短些。對一般元器件來說，該時間優選為(3～4)sec。
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4虛焊的預防

4.1強化對元器件可焊性的管理

4.1.1嚴把外協、外購件入庫驗收關

必須將可焊性不良的PCB和元器件拒之門外，因此，必須嚴格執行入庫驗收手續：

⑴meipiwaigouyuanqijiandaohuohou，junbixuchouyangzuokehanxingshiyan
，hegehoucaikezhengshiruku。duiyibanyuanqijiandeyinjiaocaiyongwanyuemianrunshifaceliangkehanxingshi，dangqianliaocaowenduqu250℃時潤濕時間應＜0.6sec。經過可焊性測試的元器件可以繼續裝機使用。

⑵每批外協的PCB到貨後應任意抽取三塊采用波峰法作可焊性測試，合格後才能接收。由於經過可焊性試驗後的PCB不能再使用，因此，每批訂購時必須多加三塊作工藝試驗件。

4.1.2優化庫存期的管理

⑴所有PCB和元器件必須在恒溫、恒濕、空氣質量好

，無腐蝕性氣體(如硫
、氯等)和無油汙的環境中儲存。

⑵考慮到可焊性的存儲期限，所有元器件必須實行先入先出的原則，以免造成一部分元器件因庫存期過長而導致可焊性惡化。

⑶儲存期的長短應視地區(例如南方、北方)和當地的空氣質量而定，一般希望庫存期愈短愈好。例如PCB在深圳的濕熱環境下最好不要超過一個月。在拆除真空封裝狀態上線插件後，在流水線上滯留時間最好不要超過24小時就完成焊接工序。

4.1.3加強工序傳遞中的文明衛生管理

⑴工作人員應穿戴防靜電衣、鞋和手套
，並經常保持其潔淨；

⑵由於指紋印是最難去除的汙染
，是傳遞過程中造成可焊性不良的原因。因此在操作過程中
，任何與焊接表麵接觸的東西必須是潔淨的。PCB從保護袋中取出後，隻能接觸PCB的板角或邊緣
，在需要對PCB進行機械安裝操作時，應戴上符合EOS/ESD防護要求的手套並經常保持其潔淨。

4.2選擇正確的工藝規範

工藝規範選擇不當
，是造成虛焊現象2的關鍵因素。因此，在釺料槽溫度取定為250℃的前提下
，必須確保合金化的時間在(3～4)sec之間。

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