PCBA波峰焊接过程中出现吹孔、焊料不饱满及虚焊案例分析

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一、现象描述
某系统产品PCBA，在波峰焊接过程中多个元器件孔出现吹孔、焊料不饱满及虚焊等缺陷，如图1所示。
图1
二、问题定位
经分析，排除了波峰焊接参数导致的影响，确认为PCB来料问题。对吹孔部位的切片观察，如图2所示。
图2
对用户提供的不良PCBA进行检查，发现焊接不良区域的焊点表面光亮，除有吹孔外，焊料对焊盘润湿良好。进一步对有问题的PCBA吹孔处做切片分析，查看孔壁铜镀层的厚度和孔壁镀层表面的粗糙度，如图3所示。
图3
从图2的切片中可以看出吹孔外孔壁平整，孔壁粗糙度控制在工艺要求的范围（≤20μm）以内，因此可排除由孔壁粗糙度超标导致的吹孔。
从图3的分析可以确定，PCBA上PTH孔的制造不良是导致吹孔、焊料不饱满及虚焊等缺陷的根源。
三、机理分析
1.PCB吹孔、焊料不饱满和虚焊的原因鱼骨分析图
PCB吹孔、焊料不饱满和虚焊的原因鱼骨分析图，如图4所示。
图4
2.生产过程调查
（1）PTH生产记录。查此款PCB为6月24日l#线生产，PCB的厚度为2.4mm，纵横为6.58，为防止背光不良，工艺文件要求沉铜时采用隔齿插架或两次沉铜方式生产。而实际生产记录只进行了一次沉铜并未隔齿插架，违反工艺文件的要求。
（2）PTH生产时坏机记录。查生产当日坏机记录发现上午8：30活化缸振动装置已坏，除胶缸振动装置松动，从而造成PCB的PTH孔中钯吸附不良，在沉铜时因孔中局部缺钯而形成空洞。
（3）PTH生产时药水记录。查生产当日药水化验记录，发现早上9：00时HCH0只有4.5g/l（要求为8g/l），上午11：00时HCH0只有5.64g/l。HCH0含量过低会影响背光，并且未对不合格药水所生产的板进行追踪。
（4）PTH生产时背光记录。查生产当日背光记录，发现1#线背光按正常流程进行（2h做一次背光），对出问题的PCB板工艺要求隔齿插架并检查背光，而生产时此板未做背光。
3.对不良PTH孔切片分析
（1）不良PTH孔壁镀铜厚度（要求≥20μm）。对不良PTH孔壁镀铜厚度的测试结果如表1及图5所示。
表1
图5
结论：孔壁镀铜厚度都在工艺要求范围内。
（2）不良PTH孔壁粗糙度（要求≤25.4μm）。对不良PTH孔壁粗糙度的测试结果如表2及图6所示。
表2
图6
结论：孔壁粗糙度都在工艺要求范围内。
（3）孔径与元器件引脚直径分析。该板虚焊的插件孔的成品孔径要求为0.4±0.08mm，实测成品孔径为0.45mm，偏上限；测量元器件引脚的直径为0.1mm，元器件引脚只占插件孔径的22%；而业界一般控制元器件引脚直径应占插件孔径的30%～50%，其焊料爬升条件最理想。该PCB插件孔的成品孔径偏大，导致孔壁与元器件引脚之间的空隙较大，焊料爬升较困难，从而造成焊料不足。
（4）对不良PTH孔壁破洞处铜层进行分析。图7～图9显示了不良PTH孔壁铜层有破洞产生，放大孔壁破洞处的铜层并使用微蚀液将孔壁微蚀分层（见图7），可见在破洞两端一次铜层被二次铜层包裹住，此现象为典型的背光不良导致的镀铜空洞。
图7
图8
图9
4.机理分析
（1）观察切片发现该板虚焊的位置在孔壁处，而该孔壁的铜厚、孔壁粗糙度均在控制范围内，排除了因孔壁铜厚度不够或孔壁粗糙造成虚焊的疑虑。
（2）气孔从孔壁处吹出，因此PCB受潮有残留的水汽在孔内，并且因元器件孔径与孔壁的空隙大而焊接时间只有3～5s，在孔内的气泡不能及时散发出或残留的气泡吹出造成焊料不饱满的现象。
（3）因设备原因（活化缸振动不工作，除胶缸振动松动，起不到振动作用），导致PCB厚板药水交换困难，除胶不净导致树脂上吸附钯效果不好，会有局部空洞，从而导致PTH孔壁铜层局部区域缺失形成空洞。
（4）沉铜缸HCH0含量偏低，导致整个铜缸的活性降低，沉积速率下降，引起PCB背光不良。
（5）未按工艺要求操作，没有隔齿插架，造成背光不良。
（6）PCB受潮，残留在孔内的气泡不能及时散发出或形成的气泡吹出造成焊料不饱满，如图10所示。
图10
四、解决措施
1.插件孔钻孔时的孔径补偿由原来的0.15mm改为0.10mm，以改善因孔大而元器件引脚小使间隙过大所带来的负面影响。
2.为防止PCB受潮，应在140℃下烘烤2h，每叠不超过40pcs。
3.仓库存放区域应进行温度、湿度管控，要求温度≤30℃，湿度≤75%。出货前检查湿度指示卡有无变色至20%以上（PCB受潮）。
根据樊融融老师的现代电子装联工艺缺陷及典型故障100例改编

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