通常來(lái)說(shuō)電子元器件引腳連接可以是通孔插裝形式的也可是表面貼裝形式。但是在高電壓和高功率的應(yīng)用場(chǎng)景中，使用帶引腳的通孔插裝元件是很好的解決方案，因?yàn)樵谕撞寮附又惺褂貌ǚ搴缚梢允购更c(diǎn)的飽滿達(dá)到功率要求，而在貼裝元件中使用印刷錫膏再用回流焊接時(shí)，由于融化錫膏時(shí)重力的原因以及錫膏由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)體積縮小一系列無(wú)法解決的問(wèn)題，通常無(wú)法達(dá)到飽滿的焊點(diǎn)。對(duì)于通孔插裝元件而言，焊接往往用到波峰焊接技術(shù)，通過(guò)使引腳與焊盤經(jīng)過(guò)助焊劑噴霧，預(yù)熱區(qū)預(yù)熱，錫爐波峰噴錫從而達(dá)到焊接目的。本文章簡(jiǎn)單介紹PCB焊盤和通孔參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)通孔插裝元件的無(wú)鉛焊接可靠性的影響。

測(cè)試通孔插件（電阻和IC元件）的波峰焊接可靠性。波峰焊的焊料采用的是SAC305合金，焊接溫度控制在了260℃。熱循環(huán)的溫度區(qū)間和次數(shù)分別為-20-80℃和550次。此外PCB的表面經(jīng)過(guò)熱風(fēng)整平處理，在焊盤表面鍍上無(wú)鉛錫銅鎳保護(hù)層（SnCu0.7Ni0.05）以避免銅氧化。

圖1. 測(cè)試器件在PCB上的布局 (藍(lán)色框)， J: 電阻器（淺藍(lán)）； K: DIP集成電路 (黑色)。

表1. 測(cè)試電阻器和DIP的通孔和焊盤的尺寸。

測(cè)試結(jié)果

所有通孔內(nèi)的電阻器引腳均被無(wú)鉛SAC305焊料完整包裹。經(jīng)過(guò)SEM觀察后發(fā)現(xiàn)電阻器J1的焊點(diǎn)幾乎沒(méi)有空洞，意味著焊點(diǎn)的強(qiáng)度保持良好。銅表面和焊料之間形成了致密的IMC層(Cu，Ni)6Sn5，且厚度均在2.5-3.5μm的范圍。集成電路K1-K3在焊后可靠性也可接受，銅表面同樣形成了(Cu，Ni)6Sn5層。

圖2. 電阻器J1 (a, b)和J3 (右) 的焊點(diǎn)SEM圖。

富集鎳的(Cu，Ni)6Sn5相在焊料基體中以分散的細(xì)小沉淀形式生長(zhǎng)。重要的是(Cu，Ni)6Sn5相中的鎳成分能夠影響其形態(tài)的變化，并加速(Cu，Ni)6Sn5相的生長(zhǎng)。此外，鎳的存在還遏制了劣性Cu3Sn IMC的生長(zhǎng)。隨著通孔直徑和焊盤尺寸擴(kuò)大， 焊點(diǎn)出現(xiàn)缺陷的可能性增加。電阻器J3的通孔尺寸最大，相應(yīng)的焊接空洞數(shù)量也最多（圖2）。類似的，通孔和焊盤尺寸較大的K2和K3在波峰焊后發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)更多的空洞甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

熱循環(huán)測(cè)試

在經(jīng)過(guò)550次熱循環(huán)測(cè)試后，電阻器和集成電路都面臨著更大的失效風(fēng)險(xiǎn)。空洞的數(shù)量隨著熱循環(huán)的進(jìn)行變得更多。空洞在累積到一定程度后會(huì)成為微裂痕，導(dǎo)致焊點(diǎn)在外力作用下很容易發(fā)生斷裂。J1-J3都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的微裂痕，但J2和J3的空洞數(shù)量更多。K3在熱循環(huán)后出現(xiàn)了焊點(diǎn)裂紋現(xiàn)象，意味著焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度下降。可見(jiàn)的是焊盤和通孔尺寸對(duì)焊點(diǎn)可靠性影響很明顯。

圖3， 熱循環(huán)后焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu), (a) J1; (b ) J2; (c) J3; (右側(cè)) K3。