通常來說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，由于融化錫膏時重力的原因以及錫膏由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時體積縮小一系列無法解決的問題，通常無法達(dá)到飽滿的焊點(diǎn)。對于通孔插裝元件而言，焊接往往用到波峰焊接技術(shù)，通過使引腳與焊盤經(jīng)過助焊劑噴霧，預(yù)熱區(qū)預(yù)熱，錫爐波峰噴錫從而達(dá)到焊接目的。本文章簡單介紹PCB焊盤和通孔參數(shù)設(shè)計對通孔插裝元件的無鉛焊接可靠性的影響。

測試通孔插件（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)過熱風(fēng)整平處理，在焊盤表面鍍上無鉛錫銅鎳保護(hù)層（SnCu0.7Ni0.05）以避免銅氧化。

圖1. 測試器件在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. 測試電阻器和DIP的通孔和焊盤的尺寸。

測試結(jié)果

所有通孔內(nèi)的電阻器引腳均被無鉛SAC305焊料完整包裹。經(jīng)過SEM觀察后發(fā)現(xiàn)電阻器J1的焊點(diǎn)幾乎沒有空洞，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。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。此外，鎳的存在還遏制了劣性Cu3Sn IMC的生長。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)會出現(xiàn)更多的空洞甚至出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

熱循環(huán)測試

在經(jīng)過550次熱循環(huán)測試后，電阻器和集成電路都面臨著更大的失效風(fēng)險。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。可見的是焊盤和通孔尺寸對焊點(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。