一.概述

在电子产品装联焊接中，虚焊现象一直是困扰焊点工作可靠性的一个最突出的问题，特别是在高密度组装和无铅焊接中，此现象更为突出。历史上电子产品

（包括民用和军用）因虚焊导致失效而酿成事故的案例不胜枚举。

作中为了查找一个虚焊点，往往要花费不少的人力和物力，而且根治措施涉及面

在现代电子装联焊接中，冷焊是间距≤0.5mmμBGA、CSP 封装芯片再流焊接中的一种高发性缺陷。在这类器件中，由于焊接部位的隐蔽性，热量向焊球焊表现上与虚焊非常相似，因此往往被误判为虚焊而被掩盖。在处理本来是由于冷焊现象而导致电路功能失效的问题时，往往按虚焊来处理，结果是费了劲恰效果甚微。

冷焊与虚焊造成的质量后果形式相似，但形成的机理恰不一样，不通过视觉往往要用户使用一段时间（短则几天，长则数月甚至一年后才能暴露无遗。因此不仅造成的影响极坏，后果也是严重的。

间化合物-IMC AOI

焊的异同点。

二.冷焊

1. 定义和特征

在焊接中钎料与基体金属之间没有达到最低要求的润湿温度；或者虽然局部发生了润湿，但冶金反应不完全而导致的现象，可定义为冷焊，如图 1 所示

它表明 PCB 及元器件的可焊性不存在问题，出现此现象的根本原因是焊接的温度条件不合适。

1. 机理

冷焊发生的原因主要是焊接时热量供给不足，焊接温度未达到钎料的润湿温度，因而结合界面上没有形成IMC 或IMC 2 所示。有的情况下，界3 所示。

图2 未成IMC

图3 拌着微缝

所示为一块PCBA 上的CSP 5

图4 芯冷焊点

图5 撕后的盘表面

1. 冷焊焊点的判据

IMC 生长发育不完全、表面呈橘皮状、坍塌高度不足，是μBGA、CSP 冷焊焊点具有的三个最典型的特征，这些特征通常可以作为μBGA、CSP 冷焊焊点的判据。

再流焊接中IMC 生长发育不完全（前面已经进行了分析和介绍，此处不再重复）

表面橘皮状和坍塌高度不足

μBGA、CSP 冷焊点表面呈橘皮状、坍塌高度不足，这是冷焊所特有的物理现象。其形成机理可描述如下：

μBGA、CSP 在再流焊接时，由于封装体的重力和表面张力的共同作用，正A 开始加热阶段B 的第一次坍塌阶段C 第二次坍塌着三个基本的阶段，如图 6 所示。

如果再流焊接过程只进行到阶段B 的第一次坍塌，因热量供给不足而不能持续进行到阶段C，便形成冷焊焊点。

图6μBGA、CSP再焊接物理学过程

阶段A

开始加热时，μBGA、CSP 焊点部的形态如图 7 所示

图7开加热的形态

（1）阶段B

经历了第一阶段加热后的焊球，在接近和通过熔点温度时，焊球将经受一次8 所示。

图8焊钎料近或过其点时的形态

阶段C

1/3~1/29

从上面描述的μBGA、CSP 在再流焊接中所发生的物理化学过程可知，冷焊焊点的形成几乎都是在再流焊接的B 发生的程度。

1. 冷焊焊点缺陷程度分析

轻微的冷焊是一种隐匿缺陷，在良好的使用环境中，一段时间内也不会严重影响产品的正常功能。因为 IMC 的生长不仅是温度的函数，与时间也有关系。再流焊接时虽然 IMC 发育不完善，但在使用中仍可继续生长、发育，只不过生

长速度非常缓慢而已。为了对冷焊发生的程度有个较准确的定位和评估，我们按ERSACOPE A （轻微冷焊、B 类（中等程度冷焊）和C 类（严重冷焊）3 10 所示。

A 类 B类 C类图10 冷的分级

根据实际观察的结果，发现 A、B 两类最常见。进一步对A 、B 、C 三类焊点进行金相切片分析，结果如下。

1）A 类

A IMC（合金）形成不明显，具

图A 类点切片

2）B 类

B 类焊点切片分析的镜像如图 12 所示，界面IMC 不明显，界面结合良好，未见微裂纹，但钎料晶粒不太均匀

3）C 类

C 类焊点切片分析的镜像如图13 所示，界面未形成IM（合金，界面出现贯穿性裂缝。焊球外表面不规则，且凹凸不平。

结论：A、B 两类在非高可靠性要求的场合可酌情接受，而C 类应拒收。

图12B 类点切片

图13C类点切片

诱发冷焊的原因及其对策

μBGACSP

PCB “凸出的元PCB 附面层μBGACSP 与PCB μBGA、CSP 底部焊盘区14

14 附面层导致热风对μBGA、CSP 底部焊盘区传热不良

在相同的峰值温度和再流时间的条件下，与其他在热空气中焊点暴露性好的元器件相比，CSP μBGA、

CSP 底部焊球焊点温度达不到润湿温度而发生冷焊，如图 15 所示。

在上述状态下，μBGA、CSP 再流焊接过程中，热量传递就只能是μBGA、CSP 封装体和 PCB 首先加热，然后依靠封装体和 PCB 基材等热传导到焊盘和μBGACSP 240℃的热空气作用在封装表面，焊盘与μBGA、CSP 钎料球将逐渐加热，温度上升的程度与其他元器件相比将出现了一个滞后时间，假如不能在要求的再流时间内上升到所要求的润湿温度，便会发生冷焊。

1）解决μBGA、CSP 冷焊发生率高的可能措施

（1）采用梯形温度曲线（延长峰值温度时间）

适量降低再流峰值温度，而延长峰值温度时间，可以改善消热容量元器件与大热容量元器件间的温差，避免较小元器件的过热。

45mm BGA 的封装8℃。

（2）改进再流焊接热量的供给方式

再流焊接就是将数以千计的元器件焊在 PCB 基板上。若在一块PCB 上同时存在质量大小、热容量、面积不等的元器件时，就会形成温度的不均匀性。目前

在业界最常见的两种再流热量供给方式及其特点如下所述。

16 所示。采用此种加热方式的 PCB 基板和元器件的温度，接近给定的加热区的气体温度，克服了红大的问题。

采用此种加热方式就热交换而言，热传输性比红外线差，因而生产效率不如影响，各元器件间的升温速率的差异将变大。

在强制热风对流再流焊接设备中循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体能作用于PCB 的任一区域，气流必须具有足够大的速度或压力。这在一定程度上易造成薄型PCB 基板的抖动和元器件的位移等问题。

②红外线加热。红外线（IR）3~10μm 波长的电磁波。通常PCB、助焊剂、元器件的封装等材料都是由原子化学结合的分子层构成的，这些高分子物能在短时间内能够迅速均等地传到整个物体。因此，物体不需要从外部进行高温加热，也会充分变热。

红外线加热再流焊接的优点是：按照射的同一物体表面呈均匀的受热状态，被焊件产生的热应力小，热效率高，因而可以节省能源。

能出现过热。

③“IR+强制对流”是解决μBGA、CSP 冷焊的主要技术手段。国外业界针对QFP140P 与PCB 之间、45mm 的BGA 与PCB 之间的焊接发现，当分别只有对流加热或“IR+强制对流”复合加热系统时，在两种条件下加热的温度均匀性差异如下：

a）对流加热QFP140P 与PCB 22℃；

b） “IR+强制对流”加热QFP140P 与PCB 745mm

的BGA 3℃。

“IR+强制对流”加热的基本概念是：使用红外线作为主要的加热源达到最佳的热传导，并且抓住对流的均衡加热特性以减小元器件与PCB 之间的温差。对流加热方式在加热大容量的元器件时有帮助，通知对较小热容量元器件过热时的冷却也有帮助。

图 17 “IR+强制对流”的复合加热效果

在图 17 中：

①代表具有大热容量元器件的加热曲线；

②是小热容量元器件的加热曲线。

IR 17 “IR+”

8PCB 1℃。

μBGA、CSP 冷焊现象的发生，与其在PCB 168 所示为两个CSP （IC/A 和共同装在一个屏蔽罩内，芯片IC/A 外形尺寸和厚度比芯片IC/B IC/A 应该比芯片IC/B 好。

图18安装位置对冷焊发生率的影响

18 所示的PCBA 7 （“IR+10 温区ERSA SCOPE-30000 微光1。

从表 1 所示的微光学镜像来看，可以明显得出下述结论：

10 7 温区的（“IR+热风复合炉，从再流焊IC/B 比芯片IC/A 的冷焊发生率高得多。它表明安装位置对μBGA、CSP 的冷焊发生率有很大影响。

从照片的分类对比看，7 温区的（“IR+热风）复合炉的再流焊接效果与 10

温区的纯热风炉相比，不论是 IC/A 位还是IC/B 位都要好。它表明“IR+热风复合

加热方式，对抑制μBGA、CSP 在再流焊接中冷焊发生确实有效果。

三.虚焊和冷焊的异同

1. 相似性

虚焊与冷焊从现象表现上有许多相似之处，这正是在实际工中常常造成误辨量控制是非常重要的。

虚焊和冷焊的相似性，主要表现在下述几个方面：

1）冷焊和虚焊所造成的焊点失效均具有界面失效的特征，即焊点的电气接触不良或微裂纹是发生在焊盘和钎料相接触的界面上；

2）冷焊和虚焊的定义相似，界面未形成所需要的金属间化合物层（简称界面合金层或IMC）1920 所示；

图19IMC不显图20界出现裂缝

1）在工程应用中发生的效果和危害相似，即：都存在电气上接触不良，电气性能不稳定，连接强度差。尤其是对μBGA 和CSP 而言，这种焊点缺陷是隐匿的，短则几天，长则数月甚至上年，才能暴露出来。

1. 差异性及物理定位

1）形成的机理不同：

虚焊是由于被焊金属表面被氧化、硫化或污染，变得不可焊所导致，而冷焊则是由于焊接时供给的热量不足所造成。

2）解决的方法不同：

虚焊一般通过改善被焊金属表面的洁净度和可焊性，调整助焊剂的化学活性供给问题，特别是对μBGA、CSP这类高密度器件，往往要涉及再流炉的加热方式和热量转換、传递的效率问题。因此，面广难度大。

3）连接强度有差异：

虚焊时由于钎料和基体金属表面相互间，隔着一层氧化膜，凝固后钎料的粘附力很差，连接作用很弱；冷焊较轻微的焊点界面上形成的IMC层非常薄而且发21所示。

图21界出现穿性缝

虚焊切片后的金相组织结构比较细密，如图 22 所示；而冷焊切片后的金相

组织结构不均匀，如图 23 所示。

图22虚焊图23冷焊

①CBGA

CBGA再流焊接时由于焊球不熔融，焊膏再流后在焊盘和焊球之间填充和润湿充分，有良好的润湿角，表面光滑平整，高度不发生坍塌，如图24所示。

②PBGA

球状焊点表面光亮平滑，润湿角良好，坍塌高度约为球状引脚高度的（1/3～

1/2）。如图 25 所示。

图24CBGA 图25PBGA

虚焊焊点的微光学视觉图像所表现的特征是，焊点未形成润湿圆角，如图 26

所示；

图 26 虚焊

冷焊焊点微光学视觉图像所表现的特征为：

①焊点表面呈橘皮状，如图 27。

图 27 冷焊

②焊膏再流不充分，如图 28 所示

图 28 再流不充分

图29坍高度

四.若干电子装联焊接缺陷的定义

虚焊其实仅针对于Ipc 中的open，但IPC-A-610E 并没有虚焊的说法，也没有open 的说法；open IPC-A-610E 的焊接缺陷里没有。

不润湿、假焊、空焊、开路、虚焊，有些属于“俗语”而不是术语，各

自定义不同。

虚焊不等同于开路，虚焊的根本特征是金属间化合物不符合要求；开路也未必是虚焊所造成，例如“立碑”也是开路，但就不是虚焊；不润湿和虚焊含义不同，但不润湿必定导致虚焊；

虚焊并非是中国的一个衍生泀，而是客观存在的事实。

2. 虚焊

1）在焊接参数（温度、时间）全部正常的情况下，焊接过程中凡在连接界面上未形成合适厚度金属间化合物（IMC）的现象，均可定义为虚焊。

1100 2011 年.

2） QJ2828 中虚焊的定义为：虚焊Pseudo soldering

焊料与焊接件的金属表面被氧化或其它污物所隔离，没有形成金属合金层，只是简单地依附在焊接件表面所造成的缺陷。

3. 冷焊

1）在焊接中钎料与基体金属之间没有达到最低要求的润湿温度；或者虽然局部发生了润湿，但冶金反应不完全而导致的现象，可定义为冷焊。

——樊融融，《现代电子装联工程应用 1100 问》，2011 年.

2） QJ2828 对冷焊的定义为：

假焊（生焊，冷焊）cold solder joint

是焊接质量比虚焊的更差的一种缺陷。

3） IPC-610D 对冷焊点的定义为：

冷焊点—是指呈现很差的润湿性、外表灰暗、疏松的焊点。（这种现象是由于焊锡中杂质过多，焊接前清洁不充分，和/或焊接过程中热量不足所致） 4）IPC-T-50 对冷焊焊接连接的定义为：

焊接连接呈现出润湿不良及灰色多孔外观。（这是由于焊料杂质过多，焊接前清洁不充分，和/或焊接过程中热量不足造成的。）

3. 润湿

QJ2828 对润湿的定义为：

润湿 wetting 熔融焊料粘附在被焊金属表面形成相当均匀光滑连续的焊料薄膜的现象。

4. 半润湿

QJ2828 对半润湿的定义为：

半润湿 dewetting 熔融焊料粘附在被焊金属表面后，形成回缩，遗留下不规则的焊料疙瘩，但不露基体金属的现象。

5. 退润湿

IPC-T-50 对退润湿的定义

熔融焊料涂覆在金属表面上然后焊料回缩，导致形成薄膜覆盖且未暴露金属基材或表面涂层的区域分隔开的不规则焊料堆的一种状况。

退润湿现象导致焊接连接不满足表面贴装或通孔插装的焊料填充要求。

3. 不润湿

1） QJ2828 对不润湿的定义为：

不润湿 nonwetting 熔融焊料与金属表面接触，只有部分粘附于表面仍裸露基体金属的现象。

2） IPC-T-50 对不润湿的定义

熔融的焊料不能与金属基材（母材）形成金属键合

a）元器件端子不润湿

b）导线端子不润丝

PCBA 冷焊分析