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非典型的焊盘原因导致的焊接不良案例分析

中国SMT在线
2016-12-01
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前言

随着无铅化与无卤化等环保运动的深入,电子制造面临着越来越多的技术挑战与压力,其中受影响最大的莫过于PCB 与元器件等的供应商。按照作者的经验和初步的统计,无铅产品中所暴露的质量问题70%以上与PCB 的质量有关,特别是焊盘的表面处理与基材的稳定性等方面,常常由于镀层不良,如腐蚀、氧化以及污染等原因导致本身就已经困难的无铅焊接更多的不良。不过令人欣慰的是由于这类原因导致的焊接不良比较容易发现并很快得到解决。最近笔者发现,有一类焊盘的镀层既无污染又无明显的腐蚀或氧化,但其就是不能被焊料很好的润湿,造成这类问题的原因一时难以分析清楚,给相关各方带来许多困扰。本文将就此类非典型问题展开研究,并通过一个案例来介绍这一分析解决问题的思路与方法。

1 样品描述

如样品是一块不良PCBA和一块同批次的PCB光板样品,以及一块只印刷锡膏没有贴装零部件并经过回流焊的PCB样品(见图1)。问题反映使用该批PCB样品的PCBA存在明显多处焊接不良,没有贴件的经过回流焊的PCB上也有多处焊盘润湿不良,所用焊锡膏经过确认没有质量问题。依据委托单位要求,对该批样品焊接不良的原因进行分析,以便找到改进的依据。

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图1 焊接不良样品接收态外观照片(左:PCBA,右:PCB空板回流后样品)

2 分析过程

2.1 外观检查

首先对失效样品进行了外观检查,发现失效样品的焊点焊盘表面普遍存在不润湿和反润湿现象,部分引脚间还存在少量锡珠,PCB焊盘的表面处理为化学镍金(ENIG),代表性外观照片如图2所示。显然,尽管经过了焊锡的高温回流过程,但表面的金镀层仍然存在没有溶解,焊锡依然没有办法润湿焊盘的某些部位或某些区域的焊盘。

图 2 焊点表面代表性外观照片

2.2 可焊性测试

为了确认PCB焊盘上锡不良是否与其焊盘焊接前受污染有关,参考IPC-J-STD-003B标准的方法Test C1,对PCB空板样品清洗前后的焊盘分别进行可焊性测试,清洗条件是异丙醇与纯水溶液中超声波清洗10分钟,测试条件:焊料组成:Sn96.5Ag3.0Cu0.5;焊接温度:255℃;活性焊剂:松香:25%,异丙醇:74.61%,二乙胺盐酸盐:0.39%;焊接时间:5+0/-0.5s。结果发现:所检焊盘清洗前后均存在明显的反润湿和不润湿,所检焊盘可焊性不符合标准IPC-J-STD-003B规定的TEST C1项的可接收要求。可焊性测试后代表性外观照片如图3所示。

图3 焊盘可焊性测试后代表性照片(左:清洗前,右:清洗后)

2.3 金相切片及SEM/EDS分析

任选一焊接不良的IC器件的焊点,制作其金相切片并对其进行SEM&EDS分析,结果发现:所检焊点引脚一侧焊接界面可见均匀连续的金属间化合物(IMC)层,IMC层平均厚度约1.8μm,而PCB焊盘一侧焊接界面IMC层不连续,且焊盘镍(Ni)镀层普遍存在微小裂缝,严重处裂缝深度达镍层厚度的三

分之二,代表性SEM 照片如图4所示。此外,任选一空板回流后的焊盘对其截面进行SEM&EDS分析发现,焊盘镍层同样存在较严重的裂缝,代表性SEM照片如图5所示。

为进一步确定PCB焊盘镍镀层的质量,在空白PCB样品上任选一空焊盘去金后对其表面进行SEM&EDS分析,结果发现,所检焊盘存在一定程度的镍层开裂,但磷(P)元素含量正常,约为7.9%wt,并没有发现明显的镍腐蚀现象,代表性SEM照片如图6所示。

图4 PCBA焊点截面金相照片与代表性SEM照片

图5 空白PCB回流后的焊盘焊点截面SEM照片 图6 PCB样品焊盘去金后的镍镀层表面SEM照片

将PCBA样品上器件机械剥离后对其焊盘表面进行SEM&EDS分析,结果发现,所检焊盘表面普遍存在较严重的裂缝,磷含量约10.9%,代表性SEM照片如图7所示。

图7 PCBA样品焊点破坏后的焊盘表面代表性SEM照片与EDS谱图

2.4 金层厚度测量

在PCB空板上任选四个焊盘采用XRF测量镀层厚度,结果发现所测金镀层最厚均在0.057μm左右,符合有关标准的要求,不会因此导致润湿不良问题。

2.5 光电子能谱分析

通过SEM与EDS的分析,发现焊盘的表面处理没有明显的结构或成分的异常,虽然也发现润湿不良的焊盘的镍镀层有一定的裂纹,增加了被氧化的机会,但镍并没有明显的氧化或腐蚀迹象;通过回流后的切片看,即使在有裂纹的地方焊锡也发生了一定程度的润湿。因此,为进一步发现导致焊盘不良润湿的深层次原因,本文再采用X射线光电子能谱(XPS)技术分析焊盘表面的元素分布。使用的仪器型号镍层裂缝为Kratos Axis Ultra,利用X射线光电子能谱在表面分析以及元素纵向分布的高灵敏度优势,对未焊接的清洗后PCB焊盘表面进行元素深度分布分析。

结果发现,浅表面(约3nm以内)XPS能谱图如图8所示,所检测的焊盘浅表面存在10.2wt%的镍(Ni)元素,且在用氩离子束对镀层表面蚀刻3分钟后(到达纵向深度约15nm),镍元素含量随着蚀刻时间(深度)的增加而明显增加。PCB焊盘表面各元素组成(约50nm以内)含量随蚀刻时间变化图如图9所

示。很明显,本应当是纯金镀层的焊盘的非常浅表面都有镍元素存在,这意味着本应该在50nm金镀层以下的镍镀层中的镍扩散到了金的表面(注:XPS分析的焊盘金镀层没有发现裂纹)。

图8 PCB空焊盘浅表面XPS能谱图

图9 PCB空焊盘表面元素含量随蚀刻时间变化图(蚀刻速度约5nm/min)

3 分析与讨论

对PCB 清洗前后的空焊盘进行可焊性测试,发现均存在明显的不润湿和反润湿现象,焊盘可焊性不符合标准IPC-J-STD-003B 的TEST C1 项的技术要求,表明上锡不良不非因焊盘表面污染造成。用SEM/EDS 对失效样品进行分析,发现上锡不良主要表现为焊料对PCB 焊盘严重润湿不良。所检焊点引脚一侧焊接界面可见均匀连续且厚度适中的IMC 层,表明焊接工艺不存在问题。所检PCB 焊盘一侧焊接界面IMC 层不连续,且焊盘镍镀层普遍存在微小裂缝,但尚未能充分证明焊盘的不良由此引起。

进而对PCB 空焊盘以及焊接后的焊盘表面进行SEM/EDS 分析显示,焊盘表面均存在明显开裂,但没有发现镍镀层表面有明显的腐蚀或氧化现象,对镀层厚度的检测还发现金镀层的厚度符合有关标准的要求。

进一步采用X 射线光电子能谱仪对PCB 空焊盘以及焊接不良焊盘表面进行元素深度分布分析,结果发现焊盘非常浅的表面均存在镍元素,表明镍元素在焊接之前已扩散到金镀层表面,镍扩散至金镀层而形成的镍金固溶体增加了金元素在焊接过程中向焊料内扩散溶解的难度,阻慢了焊锡浸润焊盘表面的过程,严重的甚至导致回流焊后镀金层仍然存在,外观检查的结果也证实了这个推理。只要焊盘表面的金镀层没有溶解,真正良好的锡镍合金焊点就无法形成。此外,镍扩散至金镀层表面还增加其氧化的机会,连同镍金固溶体的在焊锡中的难熔解性,严重降低PCB 焊盘的可焊性,导致最终焊接不良的发生。

根据扩散过程动力学原理,镍扩散的发生跟温度和时间有很大的关系。因此,加强在化学镀金的工艺过程中工艺控制,以及产品的贮存环境与时间的控制都需要严加考虑。

结论

对于润湿不良且无明显的氧化污染或被腐蚀的特征的非典型焊盘,业界一直找不到真正的原因。本文通过引入光电子能谱(XPS)的表面分析手段,对润湿不良的焊盘的表面化学物质组成及其深度分布进行了分析,结果发现镍镀层中镍的扩散至金表面,导致了焊盘可焊性的急剧下降。最终揭示了导致使

用该焊盘进行焊接而引起的焊接不良的主要原因,为下一步避免或控制类似问题提供了改进的依据。

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