在電子產品裝聯焊接中，虛焊現象一直是困擾焊點工作可靠性的一個最突出的問題，特別是在高密度組裝和無鉛焊接中，此現象更為突出。歷史上電子產品（包括民用和軍用）因虛焊導致失效而釀成事故的案例不勝枚舉。

虛焊現象成因復雜、影響面廣、隱蔽性大，因此造成的損失也大。在實際工作中為了查找一個虛焊點，往往要花費不少的人力和物力，而且根治措施涉及面廣，建立長期穩定的解決措施也不容易。因此虛焊問題一直是電子行業關注的焦點。

在現代電子裝聯焊接中，冷焊是間距≤0.5mmμBGA、CSP 封裝芯片再流焊接中的一種高發性缺陷。在這類器件中，由于焊接部位的隱蔽性，熱量向焊球焊點部位傳遞困難，因此冷焊發生的概率比虛焊還要高。

然而由于冷焊在缺陷現象表現上與虛焊非常相似，因此往往被誤判為虛焊而被掩蓋。在處理本來是由于冷焊現象而導致電路功能失效的問題時，往往按虛焊來處理，結果是費了勁恰效果甚微。

冷焊與虛焊造成的質量后果形式相似，但形成的機理恰不一樣，不通過視覺圖像甄別，就很難將虛焊和冷焊區別開來。它們在生產過程中很難完全暴露出來，往往要用戶使用一段時間（短則幾天，長則數月甚至一年）后才能暴露無遺。因此不僅造成的影響極壞，后果也是嚴重的。

本文敘述什么是冷焊？冷焊發生的機理，冷焊焊點的判據，冷焊焊點缺陷程度分析，誘發冷焊的原因及其對策，以及虛焊和冷焊的異同點。

1.定義和特征

在焊接中釬料與基體金屬之間沒有達到[敏感詞]要求的潤濕溫度；或者雖然局部發生了潤濕，但冶金反應不完全而導致的現象，可定義為冷焊，如圖 1 所示。

圖 1 冷焊的微觀特征

它表明 PCB 及元器件的可焊性不存在問題，出現此現象的根本原因是焊接的溫度條件不合適。

2.機理

冷焊發生的原因主要是焊接時熱量供給不足，焊接溫度未達到釬料的潤濕溫度，因而結合界面上沒有形成 IMC 或 IMC 過薄，如圖 2 所示。有的情況下，界

面上還存在著裂縫，如圖 3 所示。

這種焊點，釬料是黏附在焊盤表面上的，有時表現得毫無連接強度可言。圖4 所示為一塊 PCBA 上的 CSP 芯片，由于冷焊，一受力芯片便撕裂下來。器件與焊盤分離后，焊盤表面潔凈且呈金屬光澤，如圖 5 所示。它與分離后的虛焊點的焊盤表面是完全不同的。

3.冷焊焊點的判據

IMC 生長發育不完全、表面呈橘皮狀、坍塌高度不足，是μBGA、CSP 冷焊焊點具有的三個最典型的特征，這些特征通常可以作為μBGA、CSP 冷焊焊點的判據。

• 再流焊接中 IMC 生長發育不完全（前面已經進行了分析和介紹，此處不再重復）

  
  

• 表面橘皮狀和坍塌高度不足μBGA、CSP 冷焊點表面呈橘皮狀、坍塌高度不足，這是冷焊所特有的物理現象。其形成機理可描述如下：

μBGA、CSP 在再流焊接時，由于封裝體的重力和表面張力的共同作用，正常情況下都要經歷下述過程，即階段 A 開始加熱→階段 B 的[敏感詞]次坍塌→ 階段 C 的第二次坍塌這三個基本的階段，如圖 6 所示。

如果再流焊接過程只進行到階段 B 的[敏感詞]次坍塌，因熱量供給不足而不能持續進行到階段 C，便形成冷焊焊點。

圖 6 μBGA、CSP 再流焊接的物理化學過程

（1）階段 A：開始加熱時，μBGA、CSP 焊點部的形態如圖 7 所示。

圖 7 開始加熱時的形態

（2）階段 B：經歷了[敏感詞]階段加熱后的焊球，在接近和通過熔點溫度時，焊球將經受一次垂直塌落，直徑開始增大。此時的釬料處于一個液、固相并存的糊狀狀態。由于熱量不購，焊球和焊盤之間冶金反應很微弱，且焊球表面狀態是粗糙和無光澤的，如圖 8 所示。

圖 8 焊球釬料接近或通過其熔點時刻的形態

（3）階段 C：當進一步加熱時，焊料釬球達到峰值溫度，焊球與焊盤之間開始發生冶金反應，產生第二次坍塌。此時焊球變平坦，形成水平的圓臺形狀，表面呈現平滑而光亮的結構。界面合金層的形成大大地改善了焊點的機械強度和電氣性能。此時芯片離板的高度與開始時的高度相比，減小了 1/3~1/2，如圖 9 所示。

圖 9 正常再流焊接后形成的焊點

從上面描述的μBGA、CSP 在再流焊接中所發生的物理化學過程可知，冷焊焊點的形成幾乎都是在再流焊接的 B 階段時因加熱熱量補充不足。未能達到峰值溫度便結束了再流焊接過程而形成的。因此當采用微光學視覺系統檢查μBGA、CSP 焊點的質量時，便可以根據焊球表面橘皮狀的程度和坍塌高度，來判斷冷焊發生的程度。

4.冷焊焊點缺陷程度分析

輕微的冷焊是一種隱匿缺陷，在良好的使用環境中，一段時間內也不會嚴重影響產品的正常功能。因為 IMC 的生長不僅是溫度的函數，與時間也有關系。再流焊接時雖然 IMC 發育不完善，但在使用中仍可繼續生長、發育，只不過生長速度非常緩慢而已。為了對冷焊發生的程度有個較準確的定位和評估，我們按ERSACOPE 實際觀察的結果，根據其外觀特征，暫將其劃分為 A 類（輕微冷焊）、B 類（中等程度冷焊）和 C 類（嚴重冷焊）3 個等級，如圖 10 所示。

A 類（左）B 類（中）C 類（右）

圖 10 冷焊的分級

根據實際觀察的結果，發現 A、B 兩類最常見。進一步對 A 、B 、C 三類焊點進行金相切片分析，結果如下。

1）A 類。A 類焊點切片分析的鏡像如圖 11 所示，界面 IMC（合金）形成不明顯，具有冷焊的特征，但界面結合嚴密，且未見微裂紋。

圖 11 A 類焊點切片

2）B 類。B 類焊點切片分析的鏡像如圖 12 所示，界面 IMC 不明顯，界面結合良好，未見微裂紋，但釬料晶粒不太均勻。

3）C 類。C 類焊點切片分析的鏡像如圖 13 所示，界面未形成 IMC（合金），界面出現貫穿性裂縫。焊球外表面不規則，且凹凸不平。

結論：A、B 兩類在非高可靠性要求的場合可酌情接受，而 C 類應拒收。

5.誘發冷焊的原因及其對策

1）μBGA、CSP 在熱風再流焊接中冷焊率高的原因

熱風對流是以空氣作為傳導熱量的媒介，對加熱那些從 PCB 面上“凸出”的元器件，如高引腳與小元器件是理想的。可是，在該過程中，由于對流空氣與 PCB之間形成的“附面層”的影響，此時μBGA、CSP 與 PCB 表面的間隙已接近附面層厚度，熱風已很難透入底部縫隙中，因而使熱傳導到如μBGA、CSP 底部焊盤區時，傳導效率就將明顯降低，如圖 14 所示。

圖 14 附面層導致熱風對μBGA、CSP 底部焊盤區傳熱不良

在相同的峰值溫度和再流時間的條件下，與其他在熱空氣中焊點暴露性好的元器件相比，μBGA、CSP 焊球焊點獲得的熱量將明顯不足，從而導致一些μBGA、CSP 底部焊球焊點溫度達不到潤濕溫度而發生冷焊，如圖 15 所示。

圖 15 冷焊形成原因

在上述狀態下，μBGA、CSP 再流焊接過程中，熱量傳遞就只能是μBGA、CSP 封裝體和 PCB 首先加熱，然后依靠封裝體和 PCB 基材等熱傳導到焊盤和μBGA、CSP 的釬料球，形成焊點。

例如，如果 240℃的熱空氣作用在封裝表面，焊盤與μBGA、CSP 釬料球將逐漸加熱，溫度上升的程度與其他元器件相比將出現了一個滯后時間，假如不能在要求的再流時間內上升到所要求的潤濕溫度，便會發生冷焊。

2）解決μBGA、CSP 冷焊發生率高的可能措施

（1）采用梯形溫度曲線（延長峰值溫度時間）

適量降低再流峰值溫度，而延長峰值溫度時間，可以改善消熱容量元器件與大熱容量元器件間的溫差，避免較小元器件的過熱。

一個現代復合式再流焊系統可將 45mm BGA 與小型引腳封裝（SOP）的封裝體之間的溫差減小到 8℃。

（2）改進再流焊接熱量的供給方式

再流焊接就是將數以千計的元器件焊在 PCB 基板上。若在一塊 PCB 上同時存在質量大小、熱容量、面積不等的元器件時，就會形成溫度的不均勻性。目前在業界最常見的兩種再流熱量供給方式及其特點如下所述。

①強制對流加熱。強制熱風對流再流焊接，是一種通過對流噴射管嘴來迫使氣流循環，從而實現對被焊件加熱的再流焊接方法，如圖 16 所示。采用此種加熱方式的 PCB 基板和元器件的溫度，接近給定的加熱區的氣體溫度，克服了紅外線加熱因外表色澤的差異、元器件表面反射等因素而導致的元器件間的溫差較大的問題。

圖 16 強制熱風對流加熱

采用此種加熱方式就熱交換而言，熱傳輸性比紅外線差，因而生產效率不如紅外線加熱方式高，耗電也較多。另外，由于熱傳輸性小，受元器件體積大小的影響，各元器件間的升溫速率的差異將變大。

在強制熱風對流再流焊接設備中循環氣體的對流速度至關重要。為確保循環氣體能作用于 PCB 的任一區域，氣流必須具有足夠大的速度或壓力。這在一定程度上易造成薄型 PCB 基板的抖動和元器件的位移等問題。

②紅外線加熱。紅外線（IR）是具有 3~10μm 波長的電磁波。通常 PCB、助焊劑、元器件的封裝等材料都是由原子化學結合的分子層構成的，這些高分子物質因分子伸縮、變換角度而不斷振動。當這些分子的振動頻率與相近的紅外線電磁波接觸時，這些分子就會產生共振，振動就變得更激烈。頻繁振動會發熱，熱

能在短時間內能夠迅速均等地傳到整個物體。因此，物體不需要從外部進行高溫加熱，也會充分變熱。

紅外線加熱再流焊接的優點是：按照射的同一物體表面呈均勻的受熱狀態，被焊件產生的熱應力小，熱效率高，因而可以節省能源。

而它的缺點是：按同時照射的各物體，因其表面色澤的反光程度及材質不同，彼此間吸收的熱量的不同而導致彼此間出現溫差，個別物體因過量吸收熱能而可能出現過熱。

③“IR+強制對流”是解決μBGA、CSP 冷焊的主要技術手段。國外業界針對QFP140P 與 PCB 之間、45mm 的 BGA 與 PCB 之間的焊接發現，當分別只有對流加熱或“IR+強制對流”復合加熱系統時，在兩種條件下加熱的溫度均勻性差異如下：

a）對流加熱→QFP140P 與 PCB 之間的溫差為 22℃；

b）“IR+強制對流”加熱→QFP140P 與 PCB 之間的溫差只有 7℃，而對 45mm的 BGA 溫差進一步減小到 3℃。

“IR+強制對流”加熱的基本概念是：使用紅外線作為主要的加熱源達到[敏感詞]的熱傳導，并且抓住對流的均衡加熱特性以減小元器件與 PCB 之間的溫差。對流加熱方式在加熱大容量的元器件時有幫助，通知對較小熱容量元器件過熱時的冷卻也有幫助。

圖 17 “IR+強制對流”的復合加熱效果

在圖 17 中：

①代表具有大熱容量元器件的加熱曲線；

②是小熱容量元器件的加熱曲線。

如果只使用一個熱源，不管是 IR 還是對流，都將發生如圖 17 粗實線所示的加熱效果。圖中二虛線描述的加熱曲線顯示了“IR+強制對流”復合式加熱的優點（△T <△T ）。這里增加強制對流的作用是：加熱低于熱空氣溫度的元器件；同時冷卻已經升高到熱空氣溫度之上的元器件。

目前[敏感詞]的再流爐技術結合了對流域紅外輻射加熱兩者的優點。元器件之間的[敏感詞]溫差可以保持在 8℃以內，同時在連續大量生產期間 PCB 之間的溫差可穩定在大約 1℃。

3）安裝位置的差異對冷焊發生率的影響

μBGA、CSP 冷焊現象的發生，與其在 PCB 上的安裝位置也有很大的關系。

圖 18 所示為兩個 CSP 芯片（IC/A 和 IC/B）共同裝在一個屏蔽罩內，芯片 IC/A外形尺寸和厚度比芯片 IC/B 小而薄，而且它與屏蔽罩框之間有較大的間隔空間。從熱風再流焊接的效果看，IC/A 應該比芯片 IC/B 好。

圖 18 安裝位置對冷焊發生率的影響

將圖 18 所示的 PCBA 組件，分別在 7 溫區的（“IR+熱風）復合爐和 10 溫區的純熱風爐中進行再流焊接后，沿著圖示的測試位置用 ERSA SCOPE-30000 微光學視覺監測系統，直接攝取所關注的焊點外觀鏡像，其結果見表 1。

表 1 芯片安裝位置及加熱方式對冷焊的影響

從表 1 所示的微光學鏡像來看，可以明顯得出下述結論：

（1）不論是 10 溫區的純熱風爐，還是 7 溫區的（“IR+熱風）復合爐，從再流焊接效果來看，芯片對 IC/B 比芯片 IC/A 的冷焊發生率高得多。它表明安裝位置對μBGA、CSP 的冷焊發生率有很大影響。

（2）從照片的分類對比看，7 溫區的（“IR+熱風）復合爐的再流焊接效果與 10溫區的純熱風爐相比，不論是 IC/A 位還是 IC/B 位都要好。它表明“IR+熱風復合

加熱方式，對抑制μBGA、CSP 在再流焊接中冷焊發生確實有效果。

1.相似性

虛焊與冷焊從現象表現上有許多相似之處，這正是在實際工中常常造成誤辨的原因。因此準確地辨識虛焊和冷焊的相似性與相異性，對電子產品制造中的質量控制是非常重要的。

虛焊和冷焊的相似性，主要表現在下述幾個方面：

1）冷焊和虛焊所造成的焊點失效均具有界面失效的特征，即焊點的電氣接觸不良或微裂紋是發生在焊盤和釬料相接觸的界面上；

2）冷焊和虛焊的定義相似，界面未形成所需要的金屬間化合物層（簡稱界面合金層或 IMC），如圖 19、圖 20 所示；

3）在工程應用中發生的效果和危害相似，即：都存在電氣上接觸不良，電氣性能不穩定，連接強度差。尤其是對μBGA 和 CSP 而言，這種焊點缺陷是隱匿的，

短則幾天，長則數月甚至上年，才能暴露出來。

2.差異性及物理定位

1）形成的機理不同：

虛焊是由于被焊金屬表面被氧化、硫化或污染，變得不可焊所導致，而冷焊則是由于焊接時供給的熱量不足所造成。

2）解決的方法不同：

虛焊一般通過改善被焊金屬表面的潔凈度和可焊性，調整助焊劑的化學活性即可徹底解決，比較容易實現。而冷焊則必須要解決焊接工藝過程中熱量的充分

供給問題，特別是對μBGA、CSP這類高密度器件，往往要涉及再流爐的加熱方式和熱量轉換、傳遞的效率問題。因此，面廣難度大。

3）連接強度有差異：

虛焊時由于釬料和基體金屬表面相互間，隔著一層氧化膜，凝固后釬料的粘附力很差，連接作用很弱；冷焊較輕微的焊點界面上形成的IMC層非常薄而且發育不完全，而冷焊較嚴重的焊點界面，往往伴隨著貫穿性的裂縫，毫無強度可言，如圖21所示。

圖21 界面出現貫穿性裂縫

4）金相組織結構有差異

虛焊切片后的金相組織結構比較細密，如圖 22 所示；而冷焊切片后的金相組織結構不均勻，如圖 23 所示。

5）微光學視覺圖像不同

（1）良好焊點的外觀視覺圖像

①CBGA→CBGA再流焊接時由于焊球不熔融，焊膏再流后在焊盤和焊球之間填充和潤濕充分，有良好的潤濕角，表面光滑平整，高度不發生坍塌，如圖24所示。

②PBGA→球狀焊點表面光亮平滑，潤濕角良好，坍塌高度約為球狀引腳高度的（1/3～1/2）。如圖 25 所示。

（2）虛焊焊點的外觀視覺圖像

虛焊焊點的微光學視覺圖像所表現的特征是，焊點未形成潤濕圓角，如圖 26所示；

圖 26 虛焊

（3）冷焊焊點的外觀視覺圖像：

冷焊焊點微光學視覺圖像所表現的特征為：

①焊點表面呈橘皮狀，如圖 27。

圖 27 冷焊

②焊膏再流不充分，如圖 28 所示。

圖 28 再流不充分

③坍塌高度不足：僅發生了[敏感詞]階段的坍塌，由于熱量不足，未進入第二階段坍塌，如圖 29 所示。

圖 29

1.引用標準及文獻

• 坍塌高度不足

1）QJ 航天標準

關于若干電子裝聯焊接缺陷的定義，國內外并無統一的定義，由此帶來不少周折。

航天二院的張永忠說：“對于虛焊的認識，我的看法也是看金屬間化合物。科工集團在 2013 年也做了一期虛焊的專題，以質量簡報的形式由集團科質部下發到各單位，里面對虛焊的定義引用了 QJ 標準對虛焊的定義，但是又做了延伸，分為顯性虛焊（也叫廣義虛焊），隱性虛焊，顯性虛焊即外觀可以檢查得到的。”

航天二院的張永忠所說的 QJ 標準就是筆者在以后要多次引用的 QJ2828《電子裝聯術語》，由航天七 0 八所提出，參考美國宇航局 NASA 標準和美 MILL 軍標而制定的我國航天標準，至今仍然有效。

2）美國 IPC 標準

筆者在這里同樣也引用了美國 IPC 標準，需要說明的是 IPC 標準是由“IPC美國連接電子業協會”制定的商用標準。

2010年4月出版的IPC-A-610E CN《電子組件的可接受性》在5.2焊接異常一節里，把焊接缺陷歸納為：暴露金屬基材、針孔/吹孔、焊膏再流不完全、不潤濕、

冷焊/松香焊接連接、退潤濕、錫球/錫濺、橋連、錫網/潑錫、焊料受擾、焊料破裂或有裂紋、錫尖、無鉛填充起翹和無鉛熱撕裂/孔收縮十四類，是不完全的。

3）樊融融教授著作

筆者在下面還引用了樊融融教授對若干焊接缺陷的定義；樊融融教授是我國電子裝聯業界泰斗，七項聯合國專利獲得者，八十年代我國杰出的中青年科學家。

2.焊接缺陷定義的錯誤理解

虛焊其實僅針對于 Ipc 中的 open，但 IPC-A-610E 并沒有虛焊的說法，也沒有 open 的說法；open 就是開路，“開路”的說法中國有，但 IPC-A-610E 的焊接缺陷里沒有。

不潤濕、假焊、空焊、開路、虛焊......，有些屬于“俗語”而不是術語，各自定義不同。

• 虛焊不等同于開路，虛焊的根本特征是金屬間化合物不符合要求；

• 開路也未必是虛焊所造成，例如“立碑”也是開路，但就不是虛焊；

• 不潤濕和虛焊含義不同，但不潤濕必定導致虛焊；

• 虛焊并非是中國的一個衍生泀，而是客觀存在的事實。

3.虛焊

1）在焊接參數（溫度、時間）全部正常的情況下，焊接過程中凡在連接界面上未形成合適厚度金屬間化合物（IMC）的現象，均可定義為虛焊。——樊融融，《現代電子裝聯工程應用 1100 問》，2011 年.

2）QJ2828 中虛焊的定義為：虛焊 Pseudo soldering焊料與焊接件的金屬表面被氧化或其它污物所隔離，沒有形成金屬合金層，只是簡單地依附在焊接件表面所造成的缺陷。

4.冷焊

1）在焊接中釬料與基體金屬之間沒有達到[敏感詞]要求的潤濕溫度；或者雖然局部發生了潤濕，但冶金反應不完全而導致的現象，可定義為冷焊。——樊融融，《現代電子裝聯工程應用 1100 問》，2011 年.

2）QJ2828 對冷焊的定義為：假焊（生焊，冷焊）cold solder joint焊接溫度過低，焊料在潤濕和流動前就可能凝固，焊點外觀不可能平滑光亮，是焊接質量比虛焊的更差的一種缺陷。

3）IPC-610D 對冷焊點的定義為：冷焊點—是指呈現很差的潤濕性、外表灰暗、疏松的焊點。（這種現象是由于焊錫中雜質過多，焊接前清潔不充分，和/或焊接過程中熱量不足所致）

4）IPC-T-50 對冷焊焊接連接的定義為：焊接連接呈現出潤濕不良及灰色多孔外觀。（這是由于焊料雜質過多，焊接前清潔不充分，和/或焊接過程中熱量不足造成的。）

圖 30

焊接連接呈現不良的潤濕，可能有截留的松香跡象，導致待連接的表面分離。

5.潤濕

QJ2828 對潤濕的定義為：潤濕 wetting 熔融焊料粘附在被焊金屬表面形成相當均勻光滑連續的焊料薄膜的現象。

6.半潤濕

QJ2828 對半潤濕的定義為：半潤濕 dewetting 熔融焊料粘附在被焊金屬表面后，形成回縮，遺留下不規

則的焊料疙瘩，但不露基體金屬的現象。

7.退潤濕

IPC-T-50 對退潤濕的定義：熔融焊料涂覆在金屬表面上然后焊料回縮，導致形成薄膜覆蓋且未暴露金屬基材或表面涂層的區域分隔開的不規則焊料堆的一種狀況。

圖 31

退潤濕現象導致焊接連接不滿足表面貼裝或通孔插裝的焊料填充要求。

8.不潤濕

1）QJ2828 對不潤濕的定義為：不潤濕 nonwetting 熔融焊料與金屬表面接觸，只有部分粘附于表面仍裸露基體金屬的現象。

2）IPC-T-50 對不潤濕的定義：熔融的焊料不能與金屬基材（母材）形成金屬鍵合。

a）元器件端子不潤濕

b）導線端子不潤絲

我國 SMT 經過近四十年高速發展，業內人士對質量和可靠性重要性的認識日趨升華，SMT 組裝焊接技術及檢測技術迅猛發展，然而標準的滯后，包括各類定義和術語的滯后已經影響了 SMT 產業的發展；我國現有的有關電子裝聯標準的術語標準基本上都是二十世紀九十年代中期出臺的，而 IPC 標準中的術語和定義也存在一定的問題，且不完全適應我國國情。

由此，出現一些對術語和定義的不同理解實屬正常現象。期盼我國的標準能適應制造業發展的需要。僅供參考。（本文作者中國電科10所 陳正浩）