PCB部落格 - PCB回流焊中冷焊問題的原因

什麼是冷焊？ PCB冷焊是在焊接過程中未達到電子元件和PCB之間所需的最低潤濕溫度時發生的現象。 即使存在局部潤濕，如果冶金反應不完全，也會導致冷焊的發生。冷焊的特點是焊點表面外觀更暗、更粗糙，無法與焊接材料完全熔合。

PCB冷焊發生在焊接過程中，當電子元件和PCB之間沒有達到所需的最低潤濕溫度時，焊點會形成不良連接。 即使存在一定量的局部潤濕，如不能實現完全的冶金反應，也會導致冷焊的出現。 冷焊的特點是焊點的表面外觀更暗、更粗糙，無法與焊料完全熔合。

冷焊原因：

1.加熱不足

冷焊的主要原因之一是在焊接過程中，電子元件和PCB之間沒有達到最低潤濕溫度。 如果流動焊接溫度太低，焊料不能完全熔化，導致焊點無法形成牢固的金屬結合。

2.焊接時間短

焊接時間不足也是導致冷焊的重要因素。如果流動焊接時間不够，焊料就不能在適當的時間內充分流動和散熱，焊點的形成將不够牢固。 在這種情況下，焊點的表面可能會顯得暗淡粗糙，影響電路的效能。

3.表面污染

焊接表面上的污染物，如油、灰塵等，會影響焊料的潤濕效能，使接頭無法形成良好的金屬連接。 即使施加了正確的溫度和時間，污染仍然會導致冷焊。

4.溫度控制不當

在回流焊接過程中，爐溫曲線設置不當，導致溫度快速上升或下降，也可能引發冷焊。加熱過程中焊膏張力不均會導致焊點不連貫。 通過精確的溫度控制可以有效减少冷焊。

5.鍍錫問題

由於焊點本身缺乏吃錫特性，也可能發生冷焊。 焊料不能在介面上形成良好的結合會導致焊點變弱，從而導致冷焊。囙此，選擇合適的焊料並確保焊接表面的良好狀態是防止冷焊的重要措施。

在電子工業的FR4-PCB焊接中，金因其優异的穩定性和可靠性而成為最常用的表面塗層金屬之一。 然而，作為焊料中的雜質，金對焊料的延展性非常有害，因為焊料中會形成脆性的Sn-Au（Sn-Au）金屬間化合物（主要是AuSn4）。 雖然低濃度的AuSn4可以改善許多韓國含錫焊料的機械效能，但當焊料中的金含量超過4%時，抗拉强度和斷裂伸長率會迅速下降。 焊盤上1.5um厚的純金和合金層在波峰焊過程中可以完全溶解在熔融焊料中，形成的AuSn4不足以損壞板材的機械效能。 然而，對於表面組裝過程，金塗層的可接受厚度非常低，需要精確計算。 Glazer等人報告稱，當金濃度不超過3.0 W/O時，塑膠四邊形扁平封裝（PQFP）上的Cu-Ni-Au金屬塗層與FR-4 PCB之間的焊點可靠性不會受損。

過多的IMC由於其脆性而危及焊點的機械強度，並影響焊點中鐘孔的形成。 例如，在Cu-Ni-Au焊盤的1.63um金層上形成的焊點可以在焊盤上印刷7mil（175um）91%金屬含量的Sn63Pb37焊膏後進行回流焊接。 Sn-Au金屬化合物變成顆粒並廣泛分散在焊點中。

在PCB板加工中，除了選擇合適的焊料合金和控制金層的厚度外，改變含金基體金屬的成分也可以减少金屬間化合物的形成。 例如，如果將Sn60Pb40焊料焊接到Au85Ni15上，則不會出現金脆性。

在電路板回流焊過程中，通常使用冷焊檢查方法：

目視檢查：專門的檢查標準旨在觀察焊點的外觀，並檢查是否存在顆粒狀焊點或非光滑表面等現象，這是冷焊的常見特徵。

自動光學檢測（AOI）：利用自動化設備對焊點進行高精度成像，可以快速準確地識別潜在的冷焊點，並提供定量數據支持。

X射線檢測：對於複雜的電路，特別是BGA封裝，利用X射線檢測焊點的內部結構是檢測隱藏的冷焊問題的一種非常有效的方法。

防止PCB冷焊的有效方法：

1.確保適當的焊接溫度

在PCB的回流焊過程中，合適的焊接溫度是防止冷焊的重要因素。應根據PCBA板的尺寸和厚度，以及元件的熱係數，設定合理的回流焊溫度曲線，以確保焊料能够完全熔化並潤濕焊盤。 溫度控制的準確性直接影響焊接質量，囙此設計時應特別注意這一點。

2.焊接時間的控制

焊接時間控制同樣重要，焊接時間太短可能導致焊料不能完全流動和粘附，形成冷焊。應確保焊接工藝的時間設定滿足焊料的熔化和潤濕要求，通常通過調整回流焊接設備的操作參數來實現。 精確的時間控制有助於確保焊點的完整性。

3.資料選擇和使用

使用高活性焊膏和適當的助焊劑也有助於防止冷焊。低質量的焊膏往往會導致潤濕性差，囙此選擇高品質的焊膏並嚴格控制其使用和儲存條件非常重要。 此外，適量的助焊劑將促進焊料的流動，增强焊料的附著力。

4.清潔焊接表面

在焊接之前，確保焊接表面清潔至關重要。 任何油、灰塵或氧化物都會阻礙焊料和焊盤之間的良好接觸，這很容易導致冷焊。囙此，在焊接之前，應清潔PCB和元件引脚，以提供良好的焊接條件。

5.保持部件位置穩定

在焊接過程中，組件應保持在穩定的位置，以避免抖動或抬起。 在回流焊接過程中，元件的升降和位置移動會導致焊點均勻性降低，從而導致冷焊。這可以通過確保PCB的剛性和適當的焊接設備來實現。

PCB的冷焊是影響電路效能的關鍵問題，主要是由於加熱不足、焊接時間短和表面污染等因素造成的，通過確保適當的焊接溫度、時間控制、資料選擇和焊接表面的清潔度可以有效防止。 專注於這些預防措施將顯著提高焊點質量，從而提高電路板的整體可靠性和效能。