1 引言

为什么同样的生产线、同样的机器，同种类型的产品在不同的国家制造，会产生很大的差异？这就是电子装联技术、制造技术。

这是电路图纸无法表达的一种专门技术，他把设计要求的质量和可靠性、寿命有效地体现在产品上，使产品获得稳定质量的技术。就是这种技术，在运行了几十年后的今天，我们本着实事求是的观点来看当代电子装联技术到底存在什么问题呢？

 

2 软钎焊接中的问题

在整个电子设备的装联过程中，“软钎焊”的权重可达60%以上，它对电子产品的整体质量和可靠性有着特殊的意义。它的质量好坏直接关系到电子设备的工作可靠、寿命长短。而要保证任何一台/套电子设备或电子系统中成千上万个焊点都是完美无缺的焊接，难度是极大的！他是电子装联技术中使用最多、最广泛、永远不可缺的关键技术与质量！

这是当代电子装联问题的首要问题。提出这一问题，是为有效地推进焊接技术的认知和操作，他关系到电子产品和设备的小型化、轻量化，快速反应平台的可靠性，国家前途和命运，是对设计师、工艺师、整个电子行业社会历史责任感的呼唤。

可是很多人都较轻视软钎焊接技术，理由是：焊接时，动手一试，立马粘上了，所以认为它简单。然而，在当今电子产品朝向更轻、薄、小、高密度组装时，要求设备高可靠性时，人们才发现，设备的故障原因，除元器件的早期不良和正常消耗外，基本上都是焊接不良！

因为产品制成后，检验不可能将问题焊点一个不漏的查出来，更何况软钎焊的装联技术本身存在着许多隐含的质量因素。因此：焊接技术并不简单，决不只是规定操作标准和验收标准就可以了。

 

2.1 对焊接界面认识不清

电子设备中的每个焊点至少有两个连接界面：焊接金属A与焊接金属B均由中间的焊料相连接的两个界面。见图1所示。

图1  由焊料组成的的两个被焊接金属示意图

锡-铅焊料对母材铜基体焊接时，在熔融焊料与基体金属的界面上，由于扩散作用，从焊料方面看，仅有S_n参与了反应，P_b没有参与化合物反应。因为从母材金属方面看，基体金属与焊料之间的界面上以原子量的比例按化学方式结合起来的金属间化合物，在靠近焊料一侧形成了Cu₆Sn₅(η相)，而靠近母材铜的一侧形成了Cu₃Sn（ε相）。显然P_b没有结合进这个金属间的化合层内。一个可靠性良好的焊点，其金属间结合层的这个界面，在显微金相组织下所呈现的主要应是铜锡合金的薄层。

但是，当温度继续升高、时间进一步延长，Sn/Pb焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，在焊料一侧只留下Pb（注意而不是母材一侧），形成了富Pb层。 Cu₃Sn和富Pb层之间的界面结合力非常脆弱，当受到温度、震动等冲击，就会在焊接界面处发生裂纹。焊料越多、焊接温度越高、焊接时间越长形成的富Pb层越厚，焊点开裂或脱焊的概率就越大。

因此，我们千万不能认为焊点越胖越可靠！

 

2.2 焊料厚度究竟多少为最佳

那么，两个被焊接金属间化合物的薄层量化概念是多少呢？理论界不同说法：

<4 μm、5 μm、8 μm？

但是业内有一点认识非常统一：

焊接后必须生成结合层，且结合层中不可能没有金属间化合物，但不能太厚，因为金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件、焊接端之间的热膨胀系数差别很大时，容易产生龟裂造成焊点失效。如图2所示。

大量的研究试验结论认为：

软钎焊接的结合强度不取决于钎接部位钎料量的多少，钎料量对单元面积的强度影响不大。

图2  焊料太厚造成的焊点龟裂

因此根据试验报告认为：合金层厚度为1.2～3.5μm时比较合适。这个厚度的量化指标已经被我正式写入国军标了。

感兴趣的业内人员可去参见：GJB163/Z -2013《印制电路组件装焊工艺技术指南》

 

3 对装联知识的认可及质量意识问题

一台先进、完美的电子产品，不但要有技术上先进、经济上合理的电路和结构设计，更需要有好的工艺技术，产品的最后实现以及它是否具有市场生命力，在很大程度上取决于工艺技术的先进程度。    

 

3.1 对电子装联技术的认可

电子装联技术几十年来没有形成独立的技术科研开发和如何低成本制造的工程化专门机构。

笔者2007年初至今，一直在业界上电子装联技术的培训课，其中特别是整机的课程、多芯电缆组件的装焊课程，在国内几乎是空白。可见这种知识的传播、专业机构的运作，是多么的苍白无力！

面对现代化的电子产品、成套电子装备，电子装联技术及人员，必须思考：什么样的电路设计才符合可制造性要求（即DFM）？什么样的工艺设计才能满足产品质量、可靠性要求？什么样的工艺知识才具有可指导性、可操作性？

 

3.2  电子装联技术的质量意识问题

 关于质量的定义，在ISO9000:2000质量管理体系中是这样说的：      

 质量是一组固有特性满足要求的程度。

固有特性：事物本来就有的，尤其是永久性特性（功能、安全性、维修性、可靠性、交货期等）。

在物理学中，质量就是自然科学，一组满足要求的固有特性程度。对软钎焊接来说他包括了焊料与金属母材基体的扩散、润湿、溶解、最后形成金属化合物结构情况、合金化合物成分、焊料厚度等等问题。

在哲学中，质与量又怎样理解呢？

个人认为，世界上的所有事物，其问题无不有哲学的道理在其中，只有充分将事物往哲学的道理方面进行理解、认识才能使我们变得聪明一点，进步一点，把事物把握得好一点。特别是搞工艺的、搞技能操作的不认识这一点，做起事情来所谓的“悟性”、“举一反三”就操作不好，就不能做到游刃有余。

软钎焊中的哲理：润湿和表面张力的矛盾、温度和时间的矛盾、焊缝厚度与焊点强度的矛盾等等，不能只追求一面而不顾及另一面的影响。任何情况下我们只能去寻求矛盾的平衡，而不是消灭矛盾！

因此，在电装工艺技术中我创用的语言是：学会观察静态质量和动态质量。这就是用哲理来悟工艺技术的真谛！这也是质量意识的境界，不能用物理的、哲学的思维来悟电子装联的技术，就永远把握不住这种技术的真正内涵！

因为，电子装联质量的可靠性不比机加工。电子装联的技术常常只能是一种定性的要求、总体的描述要求、即便有量化要求，也是一种范围的要求，而机械加工质量主要由设备来保证，尺寸精度来要求，加工后的质量可以立马可见、可测，并且一旦固化不会改变。而软钎焊接技术、整机布线技术，是会随着时间的推移而发生焊点的蠕变疲劳问题、布线问题会随外界因素变化产生潜在应力释放而导致断线故障！或直接导致系统级电磁不兼容情况发生！

如何把握这些动态质量、规避隐含故障的发生，这才是电子装联技术的真正的质量意识的建立！

 

4 电装工艺的不完善表现

4.1焊点方面的表现

近代电子装联技术几十年过去了，对软钎焊接后质量的认可问题、实践中如何判定优良焊点、好焊点、可接受焊点、差焊点、不可接受焊点的问题。对这两个问题现有的标准中都有要求，但是，如何结合焊接实际情况来判定，标准在可操作性上显得苍白了些。因为多少年来，我们的电装检验、技术人员对焊点的认识不是好就是坏，没有中间成分，造成了许多不必要的返工。

表1 就是SJ标准、QJ标准中出现的关于润湿角的评定。

表1 焊接润湿角的判定表

 

在操作者、检验人员中长期存在一种错误认识：焊料量宁多勿少，90º>θ>75º焊点“饱满”、看着踏实、好；而15º<θ<30º的焊点，锡量太少！但恰恰是润湿角θ≥90º和90º>θ>75º ，不但焊接强度降低，还存在着“液态钎料和基体金属表面之间缺乏润湿亲合力”，潜伏着“虚焊”的危险性。

下面是笔者关于焊点的一些截图与作图，以期读者可以较好地对照表1，建立对具体润湿角度的量化感观认识。

 

图3 润湿角约在15º<θ<30º的焊点

图4 润湿角约在30º<θ<45º的焊点

图5 润湿角约在45º<θ<55º的焊点

图6 润湿角约在45º<θ<90º的焊点

图7 润湿角约在θ>90º的焊点

 

4.2  整机方面的表现

对整机装焊而言，主要靠工艺卡在指导操作。但是工艺卡的使用必须有较为完善的工艺体系文件来支撑，目前这个“卡”只是一个流程指引。因为对工艺来讲似乎除了布线、焊接就没有什么更多的技术所在了，这就是目前整机装焊中工艺的普遍现象。

实际上目前这种工艺卡片并不能完全指导生产与操作。因为要让操作者对一批电子设备装焊出来后质量一致、效率最高、成本最低，就必须对电路设计图纸进行二次工艺开发，才能真正指导生产！

4.2.1 整机布线的问题

整机布线问题在电装中千奇百怪、气象万千，容易被忽略和不易掌握的是: 焊点上连接导线间存在的看不见的“力”。即焊点上引出导线的长度问题、整形问题都关系到这个 “力”。

这个“力”即是焊点上引出导线的长度，整机中焊接端子上的导线与线束扎带之间的两个制约点（见图8所示），它们之间的距离就是导线的自由伸缩长度，在这个长度上的所有距离上都存在应力。焊接时伸缩长度留多少？如何把握所留长度的形态？这是一个非常靠经验的操作问题，恰到好处地把握2～3 mm的长度差异，不是一件易事。这种整机内部隐含的、可变的、无法测量的质量因素，是“流程卡”能指引的吗？

 

图8 焊接端子上导线与线束出线间的两个制约点示意图

所以，整机装联工艺技术必须“把握”大量隐含质量问题的处理能力，必须学会“看透”一个焊点长期在整机中的动态表现及这个“力”的处理如何，然后把这些“把握”和“看透”根据具体不同的情况反映在工艺卡上，使工艺卡不再是流程卡，结束长期以来在操作者眼里这些“流程卡”的摆设作用，这才是整机装联技术的关键所在。

 

4.3 接口方面的表现

电装的接口问题一般表现在机柜、装机、装车、装船等系统级电子设备上。这些接口的工程问题最集中的就体现在各级的接地上，即系统级工程电磁兼容问题，工艺是如何做的呢？长期以来，这个问题几乎都是一个空白：工艺卡上如何反映接口的接地！

多芯电缆组件是维系系统级电子设备接口的关键部件，组件的本身装焊不是问题，但是当他被使用到系统级电子设备中时，这些电缆组件在设备上如何布局、如何接地、直接关系到接口间电气指标的最大实现！

当系统级电子设备产生电磁不兼容的时候，往往就直接关系到这些电缆组件是如何接地的！

那么我们的工艺卡又是怎样反映这些多芯电缆怎么接地、整体怎么布局的呢？

 

5 工艺路线、方法、工艺参数问题

5.1 工艺路线

工艺路线是编制工艺规程和产品加工部门分工的重要依据。他的正确与否，会影响产品的周转工作量、加工时间长短，产品的外观质量等等。工艺路线是工艺规程的关键，合理的工艺路线可以保证产品质量，减少劳动损耗，对设备物资的合理利用，对提高产效至关重要。           

工艺路线是否良好？可以对以下问题进行思考。

工艺路线是否可以对工艺文件进行监控；工艺路线是否支持产品的设计并不容易出错；一个好的工艺路线，是企业的无价之宝！好的工艺路线要依赖一个好团队！

 

5.2 工艺方法

工艺方法也是工艺方案，他是指导产品工艺、准备工作的依据。

工艺方法规定了产品加工所采用的设备、材料、手工或自动，有无工装夹具、工艺过程、或其他工艺制造等因素。    

工艺方法是工艺工作的总纲，也是进行工艺设计，优化工艺 / 效率、编制工艺文件的指导性文件。选择工艺方法时是否考虑到了工艺难点的描述、对这些难点有无有效的对策、质量是否可控等等。另外，工艺方法也必须对产品的质量水平进行预计，针对性地制定工艺管制方法。

小批量、单件有其小的、单的工艺方法；批量生产有批量生产的工艺方法；新产品小批量试制的产品也有其不同的工艺方法；就是返工返修也有自己的一套工艺方法。这些工艺方法的一系列作法，在一些大型民企中反倒做得不错，但是在一些央企似乎不很完善。

 

5.3 工艺参数

电装中关于工艺参数的问题，主要反映在PCB组件的生产中。由于现代信息化的推进，加速了电子设备朝向更加轻、薄、短、小、集成化发展的进程。因而使用设备“干活”的局面就成为PCB电子装联的主要手段。 这样，工艺参数的问题就成了PCB生产中的一个突出问题。如何做好“工艺参数”的事情，对PCB组件的生产尤为重要。

对以下一些问题在目前现代电子装联的PCB组件生产中是否是常态呢？值得我们思考。

1) 没有‘窗口’概念，不知道设置点所处位置。

2) 同一工艺参数需要进行往返调整？

3) 同一产品因人而异有不同的参数设置。

4) 加工参数是否在设备能力范围内？

5) 有没有验证设备能力支持本单位的工艺能力差距是多少 ？

6) 没有或分不清‘工艺参数’和‘设备参数’。

7) 不按‘机理’调整，以‘尝试’或‘经验’为主。

8) 对各种“测量误差”的平衡处理如何？（例如误差来自：双面胶测贴片精度、热耦模拟负荷精度、偏移、分析度、线性、重复性、内阻等测量及操作误差）

9) 有无对产生数据误导时的识别机制？

10) 参数是否能容忍用户的错误操作？

11) 生产质量数据的管理常常不接“地气”？

12) 是否建立基础工艺技术研究 / 开发？（先确认有哪些基础工艺技术）

13) 良好的工艺管理是否从设计开始的 ？

……

现实中，往往人为制造的复杂化是企业执行不力的重要原因。制造复杂是执行有力的大敌，制造复杂是在为企业制造灾难！常常在实际运行时发现：问题不在执行本身，而在制定本身！

所以执行的潜规则：谁把管理复杂化，意味着谁在以复杂化来使自己的愚蠢合理化，是在以复杂化来使自己的工作拖拉化，是在以复杂化来使自己的位置权威化。

 

6 现行电装标准的实施问题

标准是产品质量的判据，是我们从事电路设计、工艺设计、产品组装和检验的依据，也是一种带强制性的技术法规。

工艺代表着国家的制造业水平，而标准又是具指导工艺作用的，一流的国家制定标准，二流的国家使用标准。显然标准的制定在一个国家、一个研究所、一个企业表示着什么？

 

6.1 装联操作工艺与现行标准的冲突

这里所说的冲突是指：标准所要求做到的，在实际操作上是无法实现的，或不计成本和极低效益才能获取的。工艺标准，不比其它体现理论要求的标准。工艺标准必须讲究可操作性、可指导性，否则只能是纸上谈兵，无人信服。这种产生冲突的例子是很多的，特别是禁限用工艺。

比如，QJ3011-98，对通孔插装元器件焊接时的金属化孔透锡率达到100%，并且在禁用工艺上又明确规定不得两面焊接。但据了解，即使航天系统内部至今也达不到上述规定和要求，并且在实际操作上难免还是需要两面焊。    

又如，QJ3173-2003规定，片式元器件引线合格的横向偏移率从国军标GJB3243-98规定的小于或等于0.25 mm，提高到小于或等于0.15，提高了整整10个百分点。这个横向偏移率的大小涉及PCB设计，焊膏印刷，贴片精度和回流焊接等各个环节。

目前军事电子产品，一般情况下均不存在大批量生产的可能性，手工操作仍占有较大的比例，即使是全自动SMT生产线，要普遍达到横向偏移率小于或等于0.15是十分困难的。因此片式元器件引线合格的横向偏移率小于或等于0.15就与实际操作发生了矛盾。

再如，GJB3243-98规定禁止使用水清洗，但美国军事电子装备印制电路板组装件普遍采用水清洗/半水清洗。而在实际执行过程中，即使是航天产品都在使用水清洗/半水清洗技术。因为，QJ3173-2003在关于清洗设备中明确规定：可以使用半水或纯水清洗机。这不与GJB3243规定的禁止使用水清洗相矛盾了吗？

在GJB1150-91中，对导线的规定：

任何导线，不允许续接使用。然而，在目前电子装联中，由于焊锡环材料的问世，导线续接的操作比比皆是；同样这个标准中对导线端头浸锡的要求是：浸锡部位应与绝缘层端保持1～1.5 mm的距离。

软钎焊接中导线浸锡时会产生虹吸现象，这种规定在实际操作上是很难实现的，几乎没有操作者按此工作；

在SJ20353标准中对这个问题也有同样要求，并且还要求：导线焊接后，绝缘末端与焊点一般应留有1～2 mm间距。

对于AF-250型号的导线来说，在机箱装焊时焊接矩形插座上的杯状端子，如果按这种规定进行焊接，我的职业实践证明：在例行试验的随机振动中，很多导线会在端子的杯口处折断！

结果我们反其道而行之：将导线靠近端子或再伸入进杯口0.5～1 mm。经试验证明，没有一根导线折断的。

SJ20353-93标准中对焊点润湿角要求是：润湿角θ应小于40°。而在QJ3011-98标准中对润湿角要求是：焊料对元器件和焊盘的润湿角都应小于90°。

我们前面关于焊点润湿角的问题已经谈及：大于75°的润湿角已经是不能接受了，更何况90°的润湿角呢？

6.2 关于元器件引脚除金的问题

关于元器件镀金引脚的所谓“除金”标准。这更是长期困惑着工艺人员、操作者！

在对表面贴装元器件（如SOIC、SOP、QFP等）的“去金”，由于引线间距窄而薄且易变形其共面性一旦破坏，是无法修复的，搪锡处理十分困难；特别是PCB上使用的电连接器，它们的接触偶大多是镀金的，在要求去金时，必须考虑它们的绝缘材料耐温问题、引脚沾锡后变粗无法再插入焊盘孔中的问题；焊剂、焊料在搪锡时产生的虹吸现象问题；另外，当今的接触偶密度越来越高，已经不仅是操作困难的问题了，而是几乎无法“去金”！

电子元器件引脚镀金是电装中常遇到的，是否一遇到镀金的引脚不管在什么焊接情况下，一定要去金后再焊接？!作为一个成熟的工艺人员应结合现状，进行认真考虑！

当金镀层低于1.3μm以下，引脚上的金成分在不适当的焊接温度和时间的影响下容易析出与焊料形成合金，一旦形成一定量的合金会使焊点呈现多孔状，也即针状，这种针状会降低金的防护价值。如果焊接时间过长，金就会熔出来与其它合金元素共沉积使镀层硬度增加，降低可焊性。当焊料中被熔解的金含量超过3%时，形成的金-锡金属间化合物将招致焊点的焊接强度完全丧失，引发焊点金脆。

但是，在一定的焊接温度和时间的作用下，金-锡金属间化合物是有限度的，当镀金层厚度与镀层之比小于2%时，镀金引脚对焊接反而有利了，焊接的合金层不再出现多孔状，而呈弥散分布了。如果要使一个焊点中的金含量超过3%（与锡铅含量共有的百分比），特别是在手工焊接中，是极不易做到的（因为有焊接时间和温度的限制），因此在一个焊点中只要不超过这个量，就无需将镀金元器件引脚进行去金处理。

因此，关于镀金引线的“去金”要求，前几年本人专门对这个问题，私下问了许多业界同行，他们在实际操作中，几乎都没有要求操作者对镀金引线进行搪锡后再焊接 。本人负责29所航天产品整机工艺二十几年中，焊接质量从未因没“去金”而产生任何焊接故障！

镀金引脚是电装中常遇到的，特别是现在PCB中微矩形电连接器其接触偶几乎都是镀金的，是否一遇到镀金的引脚就要无条件地按照标准要求除金后再焊接？这些“除金”要求的标准几乎至少都是十多二十多年前的标准，并且有些标准也是从一个标准中摘录到另一个标准中，完全不从实践出发、可操作性出发。鉴于此，在我主编的GJB\Z163《印制电路组件装焊工艺技术指南》中对元器件镀金要求提出了修改意见，得到了业界专家、学者、从业人员的广泛认可。

GJB\Z 163是：

a.当元器件引出脚或引出端是镀金时，其金镀层小于1.3 μm的，采用手工焊接时，不需要除金。

b.当元器件引脚的镀金层（金）含量与被焊端子焊料之比小于2%时，这时的镀金引脚对焊接是有利的，不需要引脚除金。

因此，金是具有极好的抗腐蚀性和抗化学性。我们为什么还要花各种代价、冒存在虚焊、器件受一次次热冲击危险而带来的各种潜在焊接质量问题而非要“去金”呢？

 

6.3 依靠标准 敢于实践

在找不到标准作依据时，必须把握住显见技术与隐含质量之间存在的动态技术问题。如何把握？这就是我们前面提到的对于一个没有精确尺寸要求、只是定性要求的装联技术，你必须将很多问题结合实用性，把一些表面形态的焊点、引脚、布线、接地等千变万化的、会随着时间推移、环境因素进一步变化的动态情况预先考虑到，这就是把握。

就是说这些问题大多是随机的，这次工艺上这么做 了，实践证明是正确的，但下次又这么做，就不一定正确了。以上这些例子都不能指望可以“写死”在工艺大纲、要求、规范、细则、工艺卡中。

因此，工艺标准不能包罗万象，依靠标准，敢于实践，才是一个成熟工艺师的本质。所以一个有责任心的工艺人员，只要善于把握生产线看不见的问题，练就一付好眼力，具备装联技术内涵的能力是不难的。只有这样才能处理好生产现场上、各种电子产品加工过程中、调试中、列试中、产品服役中出现的各种问题，这时就能真正做到：没有标准作依据时，你的判断就是依据！

 

6.4  电子装联技术标准的未来

当下，没有不断推出来的管用新标准，或是旧标准的不断确认版本，不少标准不是翻译国外的就是将这个标准、那个标准抄抄摘摘，拼拼凑凑，不敢或不善于将电子装联中许多有用的新技术、新材料、被实践证明是可操作、好操作的东西写入标准。一个具可指导性、可操作性、实用性才是一个标准的灵魂。标准最终是需要验证应用的，能真正引导生产、指导操作者们出优良产品、好产品、合格产品。

为什么在今天我国制造业已经走向了世界，而指导制造业的标准却跟不上制造的发展，很多标准都是一、二十年以前或更长时间的还在引用呢？许多新技术、新材料的应用没有标准来加以明确，标准的制定和重新确认，正如当今工艺人员的断层一样，标准的编制正处于一个“青黄不接”的时代。 本人感到，这也许和我们目前的管理制度有关。

电装工艺岗位历来就有些留不住人才，加之任务重、产品产值与人员配置的严重不合理性，工艺人员大多忙于事物性工作、“救火”工作、“补洞”工作，工作范围要与方方面面的人员、部门打交道，一般来说，是没有时间来考虑写“标准”的，如果没有某种强烈的因素，是没有人会去思考编制标准的。另外，还有一个不得不说的因素：激励机制问题。在电子工程领域内，特别是一些整机院所：长期是设计老大、结构老二、工艺老三（还是机加工工艺）、装联工艺被称为“专业工艺”。可见其地位之低下！待遇之不公！这是一个长期以来的国情问题。在这种不公平的待遇下又怎么会激发出“奉献”精神呢？更何况标准的编制要花费大量的精力和时间，比起工艺工作要艰辛得多，而报酬却不及日常工艺工作。这种现状如不加以改变，标准编写的未来是不容乐观的。

 

7 结束语

电子装联技术问题的研究，应秉承科学精神，倡导实事求是、注重可制造性、可操作性的主题来研究，才能接地气。

使用开放和包容的学术研究文化精神进行指导。本人所说的开放即是解放思想，解除各种意识形态和传统观念的束缚，用革命前辈陈云的话来结束我的这篇文章，即：“不唯上、不唯书、只唯实”。