简介：IEC TR 61191-8:2021（E）是面向汽车电子制造领域的技术报告，专注于印制板组件表面安装焊点空洞的评估与控制，为工艺工程师、质量管理人员及电子装联从业者提供可操作的实践指南。该原版PDF共有1个文件，大小5.25MB，内容涉及空洞形成机理、对可靠性与功能性的潜在影响、X射线检测方法以及不同焊点的典型空洞水平，并附录了各类部件的可接受空洞水平建议。已有335人学习下载。借助这份国际电工委员会制定的技术报告，读者能够深入理解焊点空洞的成因与失效风险，掌握基于X射线检查的批量生产监控思路，从而为汽车电子控制单元的焊接质量优化提供依据。全英文原版清晰完整，适合作为研发参考、内部培训及工艺改进的资料。 汽车电子板的焊点空洞，很多人觉得见怪不怪，但真正被它咬过一口的工程师，一定记得那种痛。电子设备用印制板组件表面安装焊点空洞，看起来只是焊点里藏了几个气泡，但在振动、温度循环和大电流的夹击下，一个看似不起眼的空洞，就可能让整块板子在客户手里提前退役。IEC TR 61191-8-2021（原版）这份技术报告，专门用来处理汽车电子设备用印制板组件表面安装焊点空洞的问题。它不跟你讲空泛的理论，而是把空洞怎么形成、怎么评估、怎么控制、怎么检测的路径梳理得很清楚。
这篇内容，我会结合产线上实际遇到的问题，把它能落地的东西拆开讲清楚。如果你在做车载电子、动力电池BMS、电驱控制器，或者任何跟高可靠性表面安装焊接打交道的产品，这篇应该能帮你少走不少弯路。
1. 焊点空洞为什么让汽车电子头疼
1.1 空洞不只是不美观：力、热、电三重伤害
空洞的本质是焊点内部残留的气体，它不像外观不良一眼就能挑出来，但危害是实打实的。力学上，空洞直接减少了焊点的有效承载截面。原本应该整面受力的焊点，现在有一块区域是空的，应力会在空洞边缘集中，反复的温度循环和振动环境下，裂纹往往就是从空洞尖角开始萌生的。这个道理跟混凝土承重墙里有气泡一样，平时没事，地震一来，最先裂开的就是薄弱截面。
热学伤害更直接。空气的导热系数比焊料低一个数量级还多，空洞会让热量在焊点和散热焊盘之间形成“隔热带”。对于功率器件，比如MOSFET、IGBT这类靠焊点散热的封装，空洞率每高一点，结温可能就蹭蹭往上走。我之前算过一笔账，一个5平方毫米的功率焊盘，如果空洞率做到10%，等效热阻大约增加20%以上，这在实际工况下足以让器件降额或者提前老化。
电学方面也不能忽视。电流通过焊点时，空洞周围的导电截面积变小，局部电流密度会明显升高。长期运行下，这个位置更容易发生电迁移，尤其在大电流密度的车用功率模块里，问题会被放大。所以，空洞从来不是“外观瑕疵”，它是可靠性和寿命问题的起点。
1.2 为什么是汽车电子先等来这份指南
汽车电子设备的工作环境，跟消费电子完全不在一个量级。发动机舱里的温度循环范围动不动就-40℃到125℃，再加上铺装路面带进来的随机振动，焊点每天就像在“健身器材”上被反复折磨。与此同时，新能源车的大电流、高功率密度设计要求，又让每个焊点都承担着更大的电应力和热应力。在这样的背景下，整车的可靠性标准又直接关系到驾驶安全，行业对焊点内部质量提出了更高要求。
IEC TR 61191-8-2021这份技术报告，本质上就是把这些年表面安装焊点空洞的工程经验固化成了文档。它属于技术报告（TR）而不是强制性的国际标准，这意味着它提供的是一套指南性质的做法规矩，而不是给你一条死线。但它所在的IEC 61191系列，本身就是印制板组件领域被广泛引用的基础文件，所以这份指南的参考价值非常高。对于汽车Tier 1、Tier 2的工艺和可靠性工程师来说，它是处理焊点空洞问题绕不开的案头文件。
2. 空洞从哪来：形成机理决定控制方向
2.1 气体来源主要有三类
想控制空洞，先得知道气是从哪里冒出来的。第一类，也是最主要的一类，是助焊剂和焊膏中的溶剂、有机物在再流焊过程中挥发。当焊料熔化、表面张力形成封闭外壳时，这些气体如果来不及完全逸出，就会被锁在焊点内部形成气泡。尤其是无铅焊膏，助焊剂体系复杂、占比高，挥发物更多，空洞问题反而比有铅时代更明显。
第二类气体来源是母材表面的氧化膜、污染物和镀层中的有机物。元器件引脚、焊盘表面如果氧化严重，或者有残留的有机物，加热时这些物质分解就会放出气体。这解释了为什么同一个回流焊参数，同一批板子，有些焊点空洞多，有些却很少——来料表面状态不一致，空洞表现就会有波动。
第三类是湿气。PCB板材、元器件塑封体、焊膏在存放过程中吸收的水分，经过再流焊高温时迅速汽化膨胀，也会形成空洞，而且这类空洞往往比较顽固。很多人在夏季或雨季发现空洞率上升，第一个应该检查的就是物料的湿敏等级管控和焊膏回温状态，而不是急着调炉温。
2.2 按位置和尺寸分，空洞的危险程度完全不同
不是所有空洞都需要紧张。判断空洞有没有危害，先看位置。焊盘界面的空洞，也就是空洞紧贴PCB焊盘或元器件端子的那一类，会直接影响焊接界面的结合面积，危害相对更大。尤其是底部散热焊盘和引线框架之间的界面空洞，对散热和机械强度的削弱都更明显。相比之下，焊料内部靠近焊接面中间区域的空洞，只要尺寸不大、比例不高，很多时候是允许存在的。
看尺寸也有讲究。一般把小于50微米的空洞叫微空洞，这类通常不需要刻意处理，在很多X-ray检测设备上甚至根本拍不出来。而大于50微米、肉眼从X光片上能清晰分辨的宏观空洞，才是工艺控制的主要对象。再往大了说，如果空洞形成垂直于电流方向的层状分布，或者连成一片，那对可靠性就是灾难性的，这样的焊点即便空洞率不算离谱，也必须判不合格。所以在评估空洞时，别只盯着总面积比例，位置和分布形态永远要放在一起看。
3. 标准怎么判：空洞率、验收基准与检测策略
3.1 空洞率怎么算，先搞清楚分母和分子
IEC TR 61191-8给出的评估逻辑，核心指标是空洞率，也就是空洞总面积占焊点投影面积的比例。具体操作上，用X-ray拍出焊点的图像，再由图像软件自动或半自动地提取空洞轮廓、计算面积占比。公式很直白：
空洞率 =（焊点投影区域内的空洞总面积 ÷ 焊点投影区域的面积）× 100%
这里有两个容易踩坑的细节。第一，焊点投影面积不是整个视野的面积，而是单个焊盘或者焊球的范围，一定要用软件限定分析区域，否则视野边缘的杂散灰度会影响计算结果。第二，空洞的边界判定依赖灰度阈值，阈值设置不同，结果差别很大。同一张X光图，不同人用不同阈值测出来的空洞率可能差出一倍。所以，在公司内部或者项目组之间，强制统一图像分析参数非常重要，否则验收结果根本没有可比性。
3.2 验收判据怎么定
IEC TR 61191-8作为技术报告，更像一本方法论手册，它对不同应用场景给出的是推荐思路和监控策略，而不是一个写死的合格线。真正落到产品上的判据，要结合IPC-7095、J-STD-001等行业标准，再叠加整车厂或Tier 1的企业规范来定。
从这些年经手的项目看，业界通行的做法大致是这样：普通信号焊球，空洞率在25%以内通常可以接受；但对于电源焊球、大电流焊盘和散热焊盘，整车厂或模块厂的要求往往严苛得多，常见的有≤10%，有些高可靠性场景甚至要求≤5%。至于底部焊盘完全暴露的功率器件，比如QFN、MOSFET封装，界面空洞要求会更严格。对于这类焊点，光看空洞率还不够，还要关注空洞在整个焊盘上的分布是不是均匀，是否聚集在某个角。
3.3 检测频次与样品策略
另一个标准关心的重点，是“什么时候该测、测多少”。空洞不能靠肉眼看出，它必须依赖X-ray这类设备，而产线上的X-ray效率没那么高，所以检测策略要讲性价比。我一般的做法是：新项目首件、工艺参数变更、锡膏或钢网变更时，做全数X-ray检查，覆盖所有BGA、QFN类焊点；量产稳定后，按每批次抽5到10片做监控，绘制成控制图。如果某一次抽检发现空洞率出现趋势性上升，哪怕还没超标，也要停下来找原因。
可靠性验证阶段的样品，检测力度必须加大。温度循环、振动、功率循环试验前后的样品，都要做X-ray对比，观察空洞是否扩展、裂纹是否在空洞边缘萌发。这时候得到的不是合格率，而是空洞对失效模式的影响数据，对后续产品迭代特别有用。
4. 工艺端控制空洞的实操手段
4.1 回流焊曲线：先把预热和液相时间玩明白
控制空洞的起点，是回流焊曲线。预热阶段如果升温太猛，助焊剂里的溶剂还没来得及挥发，就被快速上升的温度裹挟着进入液相，最终被锁在焊点里。常见的做法是把预热速率控制在1.5℃/s到3℃/s之间，让板子从室温到150℃这段走得平缓些，给溶剂充分的挥发窗口。当然了，升温太慢也不行，板面流焊时间长会影响产量，助焊剂也可能过度挥发导致润湿不良。
峰值温度和液相以上时间同样关键。以SAC305无铅焊料为例，熔点约217℃，峰值温度通常设定在240℃到250℃之间，液相以上维持60秒到90秒。液相时间偏短，气泡来不及浮出表面就凝固了；液相时间过长，金属间化合物层长得太厚，焊点变脆。所以，这不是一个“越长越好”的问题，而是要在气泡逸出和IMC厚度之间找平衡。用热电偶实测板面温度时，记得把探头放在热容量最大的焊点上，比如大铜皮区域或大体积连接器引脚，这些位置的温度通常代表板的“最冷点”。
4.2 真空回流焊：对付大焊盘空洞的杀手锏
如果常规曲线怎么调都压不下大焊盘的空洞，那就得上真空回流焊了。它的思路很简单粗暴：在焊料仍处于熔融状态时，对腔体抽真空，把焊点里的气泡“吸”出来。抽真空的时机和参数是精髓。一般是在峰值温度附近，也就是焊料完全熔化之后，将真空度抽到5到20kPa，保持5到15秒，然后再回到常压完成冷却。这个窗口期内，焊料必须是液态的，否则真空一抽，焊料已经凝固，气泡想跑也跑不掉。
这里有个参数平衡的教训：真空度越高、时间越长，去空洞效果越好，但焊料也容易被“吸”出焊盘外，形成溅锡或者拉尖。设备厂商给的默认参数通常比较保守，实际需要根据板厚、焊盘大小、焊膏量做试验。如果焊盘特别大，比如电源模块底部的散热焊盘，可以试试把真空保持时间延长到20秒左右，同时适当降低峰值温度，避免焊料在抽真空前就过氧化。
4.3 焊膏、钢网、印刷、储存的全链条细节
焊膏选型对空洞的影响，常常被低估。不同品牌、不同助焊剂体系的焊膏，空洞表现差异很大。低助焊剂含量的焊膏确实更容易做出低空洞，但因为助焊剂少，印刷性和润湿性会变差，对钢网和印刷参数的要求更高。实际选型时，不要只看空洞试验报告，一定要在自己产线上用实际板子跑一遍，同时观察印刷稳定性和连续印刷时的粘性变化。
钢网开孔能直接影响气泡的逃逸路径。对于大面积的焊盘，如果整面开孔，焊膏熔化后形成一个密闭的大液滴，气体极难跑出去。业界常用办法是开孔内缩，做成“田”字形、“米”字形或者局部开孔，人为留出气体排出的通道。试过几个项目之后，我的感受是：开孔设计对空洞的抑制效果，甚至比换焊膏更明显。但内缩率要控制好，开孔面积太小会减少焊料量，反而降低焊点强度和抗疲劳能力。
印刷环节也不能松懈。刮刀压力、速度、脱模速度设置不当，会在焊膏内部裹入空气，这些空气进炉后继续膨胀变成空洞。日常维护上，钢网底部一定要及时清洁，防止残留焊膏堵塞开孔，导致焊膏量不一致。焊膏储存方面，冷藏的焊膏拿出来后必须回温充分，至少4小时，否则低温焊膏碰到热钢网会产生冷凝水，这些水汽进了炉子就是空洞的来源。车间湿度常年控制住，别等到下雨天再手忙脚乱。
5. 检测环节怎么选：X-ray与CT各有各的活
5.1 2D X-ray上手快，但有两个容易踩的坑
2D X-ray是产线上检查空洞的主力设备。它的原理是X射线穿透焊点，在探测器上形成灰度图像，空洞处吸收更少，图像更亮，于是能直接“看到”空洞。使用时要根据板子的厚度和器件密度选管电压、管电流，常见的设置在80kV到120kV之间，再配合倾斜角度，比如仰角30度、45度，从不同视角看同一焊点，避免某个方向的空洞被遮挡。
但2D X-ray有两个天然局限。第一个是重叠问题。BGA有两层或多层焊球时，上下层的空洞会叠在一起，导致分辨率下降。解决办法是调整到合适的角度，或者对单层进行局部放大拍摄。第二个是定位问题。2D图像是投影，它只能告诉你空洞在焊点内，但没法告诉你这个空洞靠焊盘侧还是靠元件侧。对于功率焊盘来说，焊盘侧的界面空洞比焊料内部空洞危险得多，2D图上是分不出来的。
5.2 什么时候需要上3D X-ray/CT
所以，当空洞的位置信息变得关键时，3D X-ray/CT就该上场了。CT通过多个角度的投影重建出三维模型，可以一层层切片看，空洞到底在焊盘界面还是焊料内部，分布形态和体积都能算出来。CT的优势不只是精度，更重要的是它能把空洞跟焊盘、器件结构的关系呈现出来。比如电源模块底部的大焊盘、QFN封装的散热焊盘、屏蔽罩下方的隐蔽焊点，这些位置用2D X-ray很难拍清楚，CT则能给出完整的体积分布。
不过CT也有明显的短板：速度慢、设备贵，不适合做产线全检。我通常只在三种情况下开CT：一是新产品开发阶段，用它摸清工艺的“底牌”，看看不同参数下空洞长什么样；二是2D X-ray发现可疑焊点，需要用CT确认风险等级；三是可靠性失效分析阶段，要看空洞跟裂纹之间的关系。普通量产监控，2D X-ray加严格的抽样策略基本够用。
6. 空洞超标排查实录：从不良现象反向锁定根因
6.1 先给空洞“定位”，再谈改工艺
空洞超标了，别急着调炉温。第一步永远是定位，搞清楚空洞发生在哪些器件、哪些位置、什么形态。是把X-ray图拿出来，按器件位置统计空洞率分布，观察规律。空洞集中在某一大焊盘，比如MOSFET漏极焊盘、DC-DC底部散热焊盘，那就要优先怀疑气体排出通道和焊膏量；空洞在整个板上普遍偏高，更可能是回流焊曲线、焊膏状态或PCB吸湿这类共性因素；只有个别批次突然变差，则要重点查来料批次、锡膏批次差异和元器件MSL状态。
这些小细节决定了排查方向。有一次我们遇到功率焊盘空洞忽然从8%涨到15%，查了一圈才发现是新来的一批PCB，焊盘表面处理镀层厚度不均匀，氧化状态跟以前不一样，导致焊膏润湿时气体释放变多。如果当时不看定位，只盲目调整炉温，很可能调半天也找不回来。
6.2 一个我常用的五步定位流程
第一步，切片或CT确认空洞位置。先用最快的手段区分界面空洞和焊料内部空洞，这一步决定了后续排查方向。第二步，核对钢网开孔方案和印刷质量。重点看大焊盘开孔是否有排气通道，印刷后的焊膏是否连续、有凹陷、有拉尖。第三步，实测回流焊曲线，而不是只看炉子面板显示的温度。用热电偶测板面实际温度，确认预热速率、峰值温度、液相时间是不是在设定范围内。第四步，检查材料状态。焊膏回温时间、在钢网上停留时间、PCB和元器件的烘烤记录、整个车间的温湿度记录都过一遍。第五步，如果前面都查不出异常，就交叉验证——换一个批次的焊膏、换另一台回流焊炉、或者用同一批板子在不同设备上跑，用来区分是设备问题还是材料问题。
这套流程看起来简单，但真正执行时最忌跳步。尤其不要因为赶进度，直接把真空回流焊打开，结果问题出在焊膏吸湿上，参数改了，空洞率还是压不下来。
7. 写在最后
焊点空洞这件事，说到底是“排气”与“封口”之间的博弈。气体永远存在，关键在于让它在焊料凝固之前跑出去。IEC TR 61191-8-2021（原版）这份指南的价值，就是把这些经验系统化，让工程师在处理问题时有一个可以依赖的框架。但它毕竟是指南，不是万能的，真正的答案还是得结合自己的产品、工艺和产线条件去试。空洞率指标定多少、检测频率怎么排、工艺参数怎么调，最终都要靠数据和可靠性试验说话。做汽车电子的，对焊点质量较真一点，真的不为过。
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