1.空洞率對產品可靠性的影響

隨著電?產品的功能不斷增強，印制電路板的集成度越來越?，器件的單位功率也越來越?，特別是在通信、汽車、軌道交通、光伏、軍事、航空航天等領域，?功率晶體管、射頻電源、 LED、IGBT、MOSFET 等器件的應?越來越多，這些元器件的封裝形式通常為 BGA、QFN、 LGA、CSP、TO 封裝等，其共同的特點是器件功耗?，對散熱性能要求?，?散熱焊盤的空洞率會直接影響產品的可靠性。

貼?器件在回流焊接之后，焊點?通常都會殘留有部分空洞，焊點?積越?，空洞的?積也會越?；其原因是由于在熔融的焊料冷卻凝固時，焊料中產?的?體沒有逃逸出去，?被“凍結”下來形成空洞。影響空洞產?的因素是多??的，與焊膏選擇、器件封裝形式、焊盤設計、 PCB焊盤表?處理?式、?板開孔?式、回流曲線設置等都有關系。

由于受到空洞的影響，焊點的機械強度會下降，?且熱阻增?，電流通路減?，會影響焊點的導熱和導電性能，從?降低器件的電?可靠性。研究表明，電?產品失效約有 60% 的原因是由溫度升?造成的，并且器件的失效率隨溫度的升?呈指數趨勢增長，溫度每升? 10℃失效率將提??倍。

在 IPC-A-610、IPC7095、IPC7093 等規范中，對于 BGA、BTC 類封裝器件的焊點空洞進?了詳細描述，對于可塌落焊球的 BGA 類器件，規定空洞率標準為 30%，?其它情況均沒有明確標準，需要制造?家與客戶協商確定；對于?功率器件的接地焊盤，?些?可靠性產品的?戶對空洞率的要求往往會?于?業標準，進?步降低到10%，乃?更低。

因此，對于如何減少此類 SMT 器件焊點中的空洞，是提升產品質量與可靠性的關鍵問題之?。?業內?前有多種解決?案，如采?低空洞率焊膏、優化 PCB 焊盤設計、采?點陣式?板開孔、在氮?環境下焊接、使?預成型焊?，等等，但最終的效果并不不是很理想，針對??積接地焊盤，但很難將空洞率穩定控制在 10% 以下。

真空焊接?藝可以穩定實現 5% 以下的空洞率，是解決空洞率問題?常有效的?段；其中的真空?相焊技術，由于?藝原理與設備結構的原因，并不太適合?批量?產；因此我們下?要討論的是近年來出現的真空回流焊?藝。

2.真空回流焊技術

真空回流焊接?藝是在回流焊接過程中引?真空環境的?種回流焊接技術，相對于傳統的回流焊，真空回流焊在產品進?回流區的后段，制造?個真空環境，??壓?可以降到5mbar（500pa）以下，并保持?定的時間，從?實現真空與回流焊接的結合，此時焊點仍處于熔融狀態，?焊點外部環境則接近真空，由于焊點內外壓?差的作?，使得焊點內的?泡很容易從中溢出，焊點空洞率?幅降低，參見圖 1。低的空洞率對存在??積焊盤的功率器件尤其重要，由于?功率器件需要通過這些??積焊盤來傳導電流和熱能，所以減少焊點中的空洞，可以從根本上提?器件的導電導熱性能。

    圖1

真空回流焊接技術的?藝參數，相對于傳統回流焊接，在溫度、鏈速等參數基礎上，增加了四個真空參數，包括真空度、抽真空時間、真空保持時間與常壓充?時間（參見圖 2），其中還可以通過階梯式分段抽真空，逐步降低??壓，以防?器件受到真空沖擊引起熔融態的焊點發?異常 , 同時防?焊料在熔融狀態時，內部?泡與真空腔體之間壓差變化太快太??導致炸錫現象，從?使得器件周圍有錫珠問題。

                                                                                                                   圖2

3.真空回流焊設備結構解析

真空回流爐是在傳統回流爐的基礎上，增加了?個真空腔體，位于?溫回流區的末段。?前國內主流的真空回流爐品牌有 SMT 和 REHM，兩家的設備結構存在不同，其中 SMT 采?的是三段可以拼接分體結構，REHM 采?的是?體結構，以下以 SMT 品牌為例，進?解析。

                                                                                                                   圖3 

由圖 3 可見，真空回流爐由三段結構拼接?成，第?段為預熱回流模組，?般分為 6-8 溫區，第?段為真空區，分為兩個區，第三段為冷卻區，分為 2-5 個區，可以根據不同產品的焊接?藝需要進?配置。其中真空區的腔體??也可以根據產品的尺?不同?進?選擇。

真空回流爐的真空腔體結構如下圖 4，腔體的下部與設備基座、鏈條軌道系統連接固定，?上蓋可以垂直上下升降，從?實現腔體的開啟與密閉，腔體側壁開孔與外置真空泵連接，?于進?抽真空與回壓；?腔體的加熱則依靠腔體上?和相鄰的兩組熱風加熱器。

                                                                                                                   圖4

真空區的長度有兩個規格可選，分別為320、450毫?，軌道寬度是可以在程式設定?動調節，可調范圍 65—510 毫?；由于 PCB 板需要在真空區停留進?抽真空、保持真空及回復常壓的操作，真空區鏈條軌道的前后設置有專?傳感器，以防?發?傳輸問題導致卡板、夾板；同時在真空回流爐的??，通過 SMEMA 信號控制、阻擋機構來控制進板的間隔，防?傳輸中的PCB 板發?“撞車” 事故。

4.真空回流焊爐溫曲線特點

01.爐溫曲線測量?式

真空回流爐在實際焊接過程中，PCB 板需要在真空區停留約 10--30 秒左右，所以真空回流的測溫過程與傳統回流爐存在差異。設備軟件中設有專?測溫模式，當該模式啟動后，測溫板到達真空區時，鏈條整體停?運轉，真空腔的上蓋并不會下降（避免壓住測溫儀、測溫線），真空泵也不會啟動，測溫板停留時間達到真空參數設定的累計時間后，鏈條恢復運轉，從?完成模擬測試回流曲線。

為了更精確的進?爐溫測試，也可使?專?治具，此時可以不使?測溫模式，關閉真空腔，啟動真空泵進?實際測試；此時需要考慮測溫儀、測溫板的整體長度與真空腔體長度的匹配。

02.回流時間延長

PCB 板在真空區需要停留進?真空焊接處理，循環時間?般在 30 秒左右，然后才能繼續傳輸?冷卻段，因此，整體回流時間將較普通回流焊要長，其 TAL 時間將達到 100 秒左右，圖 5 為典型的真空回流爐溫曲線。?些對回流時間敏感的元器件會帶來?定風險，需要在進??藝設計時進?規避。

                                                                                                                   圖5

03.三段式鏈條傳輸軌道

真空回流爐的傳輸鏈條分為三段，分別是回流段、真空段、冷卻段，?般情況下默認設定三段軌道鏈速?致；在開啟真空焊接功能后，冷卻段鏈速可以單獨設定，從?出現前后傳輸段 PCB板的速度不同的情況，此時爐溫曲線的回流參數會改變，同時也會影響到冷卻斜率，也可以減低產品出爐溫度。

5.去?泡效果顯著

在真空回流過程中，理論上可以完全去除焊錫中的空洞，?實際應?中，要根據 PCB 及器件情況，對真空參數進?調試。

普通回流焊焊盤的空洞率在 25% 左右，?采?真空焊后，焊點空洞率顯著降低；在不同真空度下，空洞?例均可達到 5% 以下；真空度越低，空洞率越低；真空保持時間越長，空洞率亦越低。具體參見下表對?照?。

真空回流焊在去除焊點空洞??有顯著的優勢，對于提升焊點的可靠性，帶來很?幫助。但是，在另???，元器件?產?家?般沒有為真空回流焊接?藝進?針對性的可靠性驗證，在實際?產應?中，還是存在?定?藝風險，需要在?藝設計中予以優化和規避。

01.器件封裝失效風險

真空回流焊對于?多數元器件來說是可以耐受的，但是，仍有極少數器件會存在失效風險。

內部帶有空腔的??密性元器件，腔體中的空?在?溫下受熱膨脹，與真空環境疊加之后，器件內外的壓?差較普通回流焊條件下更?；與此同時，當環境溫度?于材料的 Tg 溫度之后，材料的 CTE 會顯著增?，各項機械強度指標均急劇下降；在材料本?的熱應?與內外部的空?壓?下，可能會導致封裝開裂。

圖 6 為某 QFN 封裝器件在模擬回流焊接環境下的表?熱變形測量數據圖（常壓環境），可以看到 5 個樣品器件中，2 個變形量超過 140um ；?在真空回流環境中，其變形量將進?步擴?，并最終在基板與上蓋的粘接處發?開裂。

                                                                                                                    圖6

02.回流時間超限

真空回流焊的回流時間?普通回流焊更長，?般會達到 80 秒以上，部分元器件會超過 100 秒；對于?些 TAL 規格參數較短的器件，會超出其的規格范圍，從?有導致器件損壞的風險。對此，應在爐溫調試中對這些器件進?準確測量，并采取措施進?規避。

03.焊點風險

真空回流焊對 BTC 類器件焊點的影響在于，器件焊點的 Stand-off ?度有明顯降低，導致焊錫向四周延展，從?產?焊點橋連的風險；因此，必要時需要對部分焊盤的?板開孔進?適當縮?。

在焊接 BGA 器件時，當 BGA 球的 pitch ≤ 0.4mm，使?真空制程，易產?焊點橋連現象，所以在焊接球距過?過密時不建議使?真空制程。也可以通過適當縮??板開?來減少 BGA 橋連的風險，但同時也要考慮到?板?積?要求。

?對于??積接地焊盤，由于空洞的?幅減少乃?消除，最終焊錫覆蓋率有可能會減少；此時，需要適當擴?接地焊盤?板的開孔?積。

04.設備風險

真空回流焊的設備風險主要來?于三段式的傳輸鏈條系統，以及真空腔體。由于真空段鏈條與前后段鏈條之間存在間隙（如圖 7），距離在 20-30mm 左右，?鏈條的回轉半徑約為 15mm，當 PCB 經過間隙時，鏈條與 PCB 的接觸邊存在 50-60mm 的空?，對于尺??于 100mm 的電路板，發?卡板的?率會增加，也可能出現 PCB 震動，發?器件移位、反?元件掉落、甚?BGA 焊球短路等缺陷。建議使?治具過爐可以??降低風險。

                                                                                                                 圖7

 其次，真空區的運動部件較多，長期處于?溫?作（?于 250 度以上），真空區域的設備維護與保養要求應當得到嚴格執?，特別是鏈條系統、傳感器、密封圈等，均應在良好狀態下?作，否則會影響真空參數的精確控制，或者發?卡板、傳輸故障等問題。

05.操作風險 

真空回流爐在?產過程中，電路板會在真空區停留?段時間，?此時，前段預熱區的鏈條還在持續傳輸，因此要嚴格保證電路板進爐的間隔距離；雖然設備硬件本?會通過 SMEMA 接?控制進板軌道的信號連接；?在實際?產中，操作員有時的采???推板的?式進爐，若板與板之間的距離?于設備設定的最?間隔，則會在真空區發?“撞板”、卡板事故，造成不必要的損失。

7.?結

真空回流焊接?藝對于去除焊點空洞有?常顯著的作?，在真空條件下，通過合理設定?藝參數，均可以穩定實現 3% 以下空洞率的批量?產。

真空回流?藝在實際?產應?中存在的?藝風險，需要?藝技術?員加以識別和規避，通過對器件封裝結構、?藝門限進?篩選實驗，對?板開孔、?藝參數進?優化，對設備維護、以及?員操作等加強管控，確保產品最終的焊接品質。

相信在?可靠性產品領域，對真空回流焊?藝的應?需求會愈來愈?泛，相關的?藝研究也會越來越深?。

真空回流焊中為什么會出現的卡板現象？如何避免？需要采取哪些預防措施？

卡板是在電子組裝（PCBA）制造回流焊工藝生產實踐中比較常見的故障現象，但對于真空回流焊來說，出現卡板現象的影響要比普通回流焊大得多，因此東莞市高拓電子科技有限公司根據其在實際生產中遭遇的卡板問題及預防措施并結合同行的經驗撰文如下：

卡板現象是指焊接過程中，電子元器件或PCB板卡在焊接平臺上無法正常移動，導致焊接不良或焊接質量不穩定?？ò瀣F象的原因主要有以下幾點：

1. 焊接平臺不平整：焊接平臺表面不平整或有凸起部分，會導致電子元器件或PCB板卡在上面無法移動。

2. 焊接平臺表面有污染物：焊接平臺表面有油污、灰塵等污染物，也會導致電子元器件或PCB板卡在上面無法移動。

3. 焊接平臺溫度過高：焊接平臺溫度過高，會使電子元器件或PCB板與焊接平臺之間的粘附力增加，導致卡板現象。

4. 焊接平臺真空度不足：真空回流焊需要在一定的真空度下進行，如果真空度不足，會使電子元器件或PCB板與焊接平臺之間的粘附力增加，導致卡板現象。

預防措施

為了避免卡板現象的發生，可以采取以下預防措施：

1. 焊接平臺保持平整：在使用焊接平臺前，應檢查其表面是否平整，如有凸起部分應及時修整。

2. 焊接平臺保持清潔：在使用焊接平臺前，應將其表面清潔干凈，避免油污、灰塵等污染物的存在。

3. 控制焊接平臺溫度：在進行焊接時，應控制焊接平臺的溫度，避免過高的溫度導致電子元器件或PCB板與焊接平臺之間的粘附力增加。

4. 提高真空度：在進行真空回流焊時，應保證焊接平臺的真空度符合要求，避免真空度不足導致卡板現象的發生。

5. 使用適當的焊接工藝：在選擇焊接工藝時，應根據電子元器件和PCB板的特點選擇適當的焊接工藝，避免過度焊接或不足焊接導致卡板現象的發生。

綜上所述，卡板現象是真空回流焊中常見的問題，但可以通過采取適當的預防措施來避免。在實際生產中，應注意細節，保證焊接平臺的平整、清潔和溫度控制，并保證真空度符合要求，以提高焊接質量和生產效率。