平基底DIP元件波峰焊气孔不良的研究
孙德松
（杭州金通科技）
摘要：
波峰焊气孔问题是较严重的质量问题，该缺陷一般处于钎缝的内部，但经加工后会暴露于钎缝表面，并因而对组件的密封性、导电性和抗腐蚀性等带来不利影响。一般情况下焊点表面光滑，结晶细密，无针孔，否则称之为气孔不良。通过分析平基底DIP元件波峰焊气孔不良的一个典型案例，找出该类元件在波峰焊后出现气孔不良的根本原因和有效改善方法。通过在基座增加脚垫、凹槽或垫板的工艺方法可改善平基底DIP元件波峰焊气孔不良问题和透锡不良问题。
根据我国标准（SJ/T 10534-1994)和国际标准（IPC-A-610E），一般情况下焊点表面光滑，结晶细密，无针孔，否则称之为气孔不良，如图1所示。波峰焊气孔问题是较严重的质量问题，该缺陷一般处于钎缝的内部，但经加工后会暴露于钎缝表面，并因而对工件的密封性、导电性和抗腐蚀性等带来不利影响 [1] 。
笔者曾在工作中遇到一个典型案例，生产线持续出现高的波峰焊焊接不良率。跟踪波峰焊接工序后发现主要问题之一是波峰焊气孔不良，占总不良数的比例约50%，而气孔不良问题集中在平基底DIP元件（VT1/VP1）。
本文试图通过分析VT1/VP1（如图2所示）波峰焊气孔不良这一典型案例，找出平基底DIP元件在波峰焊后出现气孔不良的根本原因和有效改善方法，并通过试验验证在基座上增加脚垫、凹槽或垫板的工艺方法是否可以改善平基底DIP元件波峰焊气孔不良问题。
1 波峰焊气孔不良根本原因分析
1.1 波峰焊气孔不良常见原因
通常，波峰焊气孔不良的原因有如下几个方面：
1）假如印制电路板采用较廉价的基板材质或者制造过程使用较粗糙的钻孔方式，那么印制电路板会在储存过程中更加容易吸潮。这样，印制电路板内部的潮气会在波峰焊焊接过程中受到高温而蒸发出来，而且最主要的逸出途径就是焊盘通孔，这样，会在波峰焊工艺中产生焊点气孔不良现象 [2] 。
2）印制电路板的通孔或者电子元器件引脚在插件工序或者存储过程中沾染了外部有机物，而这些有机物在经历焊料波峰的高温时释放出气体，导致焊点气孔不良现象。
3）电子元器件或印制电路板制造过程中通常存在电镀工序，在某种情况下，为了达到尽可能的光亮效果会在电镀时使用过量的光亮剂，而这些光亮剂经常与金属同时沉积在镀层表面，在经历焊料波峰的高温时也会挥发释放气体，导致焊点气孔不良现象。
4）波峰焊接时被加热基体的热容量很大，虽然焊接已结束，但尚未完全冷却，由于热惯性，被加热基体温度仍然上升，此时焊点外侧开始凝固，而焊点内部温度降低较慢，残留的气体仍然继续膨胀，挤压外表面即将凝固的钎料而喷出，从而在焊点内形成气孔 [3] 。
5）对于平基底元件，基底会密封通孔，波峰焊过程中焊点内部产生的气体不能从元件面逸出，只能从焊点面逸出，更容易产生气孔现象。
6）还有波峰炉的预热温度、预热时间、材料库存温度和湿度、元件引脚过粗和PCB通孔过小等因素都会影响到该元件产生气孔不良现象。
1.2 VT1/VP1波峰焊气孔不良根本原因分析
如上所述，波峰焊气孔不良通常有以上多个方面的原因。为了找到平基底DIP元件VT1/VP1波峰焊气孔不良的根本原因，笔者设计以下三组试验进行评估。
1）把试验PCB放在密封烘箱内，设定120 ℃高温，烘烤2 h。同时，把试验元器件放在烘箱内，设定120 ℃高温，烘烤2 h。然后投入生产线试组装100件成品，跟踪波峰焊焊接工序，气孔不良比例约30%，不良现象基本没有消减。
2）把波峰炉预热区温度调高10 ℃。然后投入生产线试组装100件成品，跟踪波峰焊焊接工序，气孔不良比例约30%，不良现象基本没有消减。
3）使用防焊胶布垫高元件（VT1/VP1）试做20件（如图3所示），没有发现气孔不良现象。
试验3改善明显，确定VT1/VP1波峰焊气孔不良根本原因为：当过波峰的时候，波峰焊焊料和元件底座封闭过孔，封闭在过孔内的空气受热膨胀，从焊点面释放，造成该元件引脚焊点气孔不良。
2 VT1/VP1波峰焊气孔不良改善方案
2.1 改善样品
如上所述，找到了VT1/VP1波峰焊气孔不良的根本原因，抑制该问题的工艺办法有：在元件的基座增加脚垫、凹槽或垫板等工艺方法。
1）基座增加脚垫，两排引脚都增加脚垫既要增加材料又要增加工序，也不好固定脚垫，不太现实。
2）基座增加凹槽，要更改生产模具，也不太现实。
3）经过与供应商技术人员商讨，议定改善样品：使用环氧板垫高VT1/VP1的骨架1 mm，VT1/VP1的引脚相应增长1 mm，如图4所示。
为了检验改善样品是否有效以及有没有其他负面影响，我们向供应商先后索取20只、200只、500只三批样品进行试用。
2.2 改善样品试用
向供应商索取20只、200只、500只三批样品进行试用（其他因素不变）。试用结果如下：
1）向供应商索取20只样品试用，该元件波峰焊焊接后没有发现气孔问题，焊接效果良好，成品性能检测正常；
2）向供应商索取200只样品试用，该元件波峰焊焊接后没有发现气孔问题，焊接效果良好，成品性能检测正常；
3）向供应商索取500只样品试用，该元件波峰焊焊接后没有发现气孔问题，焊接效果良好，成品性能检测正常；
4）从以上720只试用成品随机抽取20只试用成品进行QA老化试验，成品性能检测结果符合标准，未见异常。
通过改善样品试用得出结论：改善样品改善效果明显，没有其他负面影响，可以大批量使用。
3 制定改善方案
根据以上评估，制定改善方案为：针对密封通孔的平基底DIP元件VT1/VP1，可通过增加垫板的工艺方法改善通孔的透气性能，从而改善该元件波峰焊气孔问题。平基底元件VT1/VP1加垫板如图5所示。
以此类推，其他类似平基底DIP元件气孔不良问题，根本原因同样为：当过波峰的时候，波峰焊料和元件底座封闭过孔，封闭在过孔内的空气受热膨胀，从焊点面释放，造成该元件引脚焊点气孔不良。通过增加脚垫、凹槽或垫板的工艺方法也可以有效改善气孔不良问题 [4] 。
4 结论
本文通过分析一个平基底DIP元件波峰焊气孔不良的典型案例，找出了该类元件在波峰焊后出现气孔不良的根本原因和有效改善方法。通过在基座上增加脚垫、凹槽或垫板的工艺方法可改善平基底DIP元件波峰焊气孔不良问题。另外，通过在基座上增加脚垫、凹槽或垫板的工艺方法也可以改善平基底DIP元件透锡不良问题。
