PCB无铅焊锡焊点空洞的原因
来源：捷配
时间: 2025/12/25 10:15:50
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提问：我们在生产汽车电子 PCB 时，发现无铅焊锡的焊点空洞率很高，尤其是在功率器件的焊点上，空洞率超过 20%，不符合汽车电子的可靠性要求。请教专家，无铅焊锡焊点空洞的形成原因是什么？如何从材料、工艺、设计三个方面降低空洞率？
回答：焊点空洞是无铅焊接中影响产品可靠性的关键缺陷，尤其是在汽车电子领域，功率器件的焊点空洞会导致散热不良，严重时可能引发设备故障。无铅焊锡的焊点空洞率比有铅焊锡高，主要是因为无铅焊锡的润湿性差，焊接过程中气体更难排出。下面从原因分析和解决方法两个方面进行深度解析，重点针对汽车电子的功率器件。
首先，焊点空洞的形成原因主要有以下四类：
- 焊膏相关原因：焊膏中含有气泡、焊粉氧化、助焊剂挥发物过多。无铅焊膏的焊粉比表面积大，容易吸附空气中的水汽和氧气，搅拌时如果方法不当，会引入气泡。
- PCB 和元件相关原因：焊盘氧化、元件引脚镀层不良、PCB 板翘曲。汽车电子的功率器件焊盘通常较大，容易氧化，而引脚镀层如果不均匀，会导致润湿性差异，形成空洞。
- 工艺相关原因：回流焊温度曲线不合理、印刷工艺不当、贴装压力过大。预热阶段温度过低，助焊剂无法充分分解，会产生气体；印刷时焊膏量过多，会导致气体无法排出。
- 环境相关原因：生产环境湿度大、氧气浓度高。湿度大时，焊膏会吸收水汽，焊接时水汽蒸发形成气泡；氧气浓度高会导致焊盘和焊粉氧化，影响润湿性。
针对以上原因，从材料、工艺、设计三个方面给出具体解决方法：
材料方面：
- 选择高品质的无铅焊膏：建议选择焊粉粒径为 2 号粉（38-53μm）的焊膏，比细粉更不容易形成空洞；助焊剂选择高活性、低挥发的配方，能有效去除氧化层，减少气体产生。
- 优化焊盘和元件的镀层：PCB 焊盘建议采用 ENIG（化学镀镍金）或 OSP（有机保焊膜）工艺，ENIG 镀层的润湿性和抗氧化性更好，适合功率器件；元件引脚建议采用镀锡或镀镍工艺，避免使用氧化严重的镀层。
- 控制生产环境：生产环境的湿度控制在 40%-60%，温度控制在 20-25℃；对于汽车电子的关键产品，建议使用氮气回流焊，氧气浓度控制在 1000ppm 以下，减少氧化。
工艺方面：
- 优化焊膏印刷工艺：印刷速度控制在 20-30mm/s，刮刀压力控制在 0.1-0.2MPa，确保焊膏均匀覆盖焊盘；印刷后放置时间不超过 2 小时，避免焊膏吸收水汽。
- 优化贴装工艺：贴装压力控制在 0.2-0.4N，避免压力过大导致焊膏被挤压到焊盘外；对于功率器件，建议使用真空吸嘴，确保元件与焊盘紧密接触。
- 优化回流焊温度曲线：这是降低空洞率的核心。建议采用五段式温度曲线：预热阶段（120-150℃）保持 30-40 秒，去除溶剂；恒温阶段（150-180℃）保持 60-90 秒，激活助焊剂；升温阶段（180-210℃）保持 20-30 秒，缓慢升温；回流阶段（210-255℃），峰值温度 245-255℃，保持 20-30 秒；冷却阶段以 3-5℃/s 的速率冷却。重点是延长恒温阶段的时间，让助焊剂充分分解，排出气体。
- 加强检测：采用 X-Ray 检测焊点空洞，对于功率器件，空洞率控制在 5% 以下；发现空洞率超标的产品，及时调整工艺参数。
设计方面：
- 优化焊盘设计：功率器件的焊盘不宜过大，建议焊盘面积为元件引脚面积的 1.2-1.5 倍；在焊盘上设置排气孔，直径为 0.1-0.2mm，便于气体排出。
- 优化 PCB 板设计：减少 PCB 板的翘曲度，控制在 0.3% 以内；在功率器件周围设置散热焊盘，增强热传导，避免局部温度过高。
- 优化元件布局：功率器件与其他元件的间距≥2mm，避免热干扰；避免在功率器件焊盘下方布置过孔，防止气体从过孔排出时形成空洞。
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