引言

 

PCB表面處理工藝的多元化，滿足了日益復(fù)雜的PCB組裝焊接要求的同時(shí)，也出現(xiàn)了很多兼容性問題， 其中，PCB焊盤上錫不良就是常見的問題之一。本文通過形貌觀察、表面分析、切片分析、驗(yàn)證分析等方法，分析PCB上錫不良的失效原因與失效機(jī)理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

PCB在組裝生產(chǎn)過程中焊盤出現(xiàn)明顯的上錫不良現(xiàn)象?，F(xiàn)進(jìn)行測(cè)試分析，查找焊盤上錫不良原因。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

利用體視顯微鏡，對(duì)焊盤上錫不良位置進(jìn)行外觀檢查，結(jié)果如圖1所示。/p>

不良PCBA多處焊盤位置明顯發(fā)現(xiàn)上錫不良現(xiàn)象，表現(xiàn)為焊盤潤(rùn)濕不良、焊盤露金異常。

 

圖1. 上錫不良焊點(diǎn)外觀檢查照片

 

2. 表面分析

為了確認(rèn)不良焊盤表面是否存在異常元素及觀察潤(rùn)濕不良位置形貌及成分，對(duì)不良焊盤清洗后進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如圖2所示：

上錫不良焊盤表面形貌未見明顯污染和鎳腐蝕異常；EDS結(jié)果顯示，上錫不良位置未發(fā)現(xiàn)異常元素存在；上錫不良位置發(fā)現(xiàn)較多Au元素存在，即焊盤Au層未溶入焊錫。后續(xù)通過AES對(duì)焊盤金層進(jìn)一步分析。

 

圖2. 上錫不良焊盤清洗后SEM圖片及EDS能譜圖

 

3. 剖面分析

為了觀察上錫不良焊盤截面形貌，對(duì)上錫不良焊盤進(jìn)行剖面分析，結(jié)果如圖3所示：

上錫不良位置表面平整，未發(fā)現(xiàn)明顯焊錫殘留，與表面觀察結(jié)果一致。鍍層放大后，未發(fā)現(xiàn)明顯鎳腐蝕現(xiàn)象，排除鎳層腐蝕對(duì)焊盤上錫不良的影響；其他正常焊盤焊接未見異常。

 

圖3. 不良PCBA焊點(diǎn)切片后截面形貌觀察形貌及EDS能譜圖

 

4. PCB光板分析

為了確認(rèn)PCB光板鍍層是否存在異常，對(duì)PCB光板焊盤進(jìn)行表面分析及剖面分析，結(jié)果如下：

表面分析：如圖4所示：PCB焊盤表面形貌未見明顯污染與鎳腐蝕現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)異常元素存在。

 

圖4. PCB光板焊盤表面形貌及EDS譜圖

 

剖面分析：如圖5所示：PCB焊盤切片后，鍍層未見鎳腐蝕異常；EDS結(jié)果顯示，Ni層P含量屬正常范圍。

 

圖5. PCB光板焊盤剖面形貌及EDS譜圖

 

5. AES分析

為了確認(rèn)上錫不良焊盤及PCB焊盤極表面成分狀況，現(xiàn)通過AES對(duì)上錫不良焊盤、PCB光板焊盤進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6及表1~2所示：

金層表面已經(jīng)存在較高含量的鎳，高鎳的存在影響了金層化學(xué)特性。金/鎳互溶的直接影響有兩點(diǎn)：①元素金的化學(xué)特性消失，改變了鍍層表面能，降低其潤(rùn)濕力；②鎳原子向金層中擴(kuò)散導(dǎo)致鎳原子與氧氣接觸的概率增大，氧化鎳本身可焊性差，進(jìn)一步惡化鍍層可焊性。

PCB光板：PCB焊盤表面檢測(cè)到Ni元素；測(cè)試結(jié)果顯示，純金層厚度偏薄（備注：C的峰極其微小，但是C的靈敏度很高，極其微小的C，峰也能出來。）

 

圖6. AES測(cè)試位置

 

表1. PCBA不良焊盤表面清洗后AES測(cè)試結(jié)果（At.%）

（備注：濺射深度參照硅片濺射速度進(jìn)行計(jì)算得出，故數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際深度有偏差。）

 

表2. PCB光板焊盤表面AES測(cè)試結(jié)果（At.%）

（備注：濺射深度參照硅片濺射速度進(jìn)行計(jì)算得出，故數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際深度有偏差。）

 

6. 不良焊盤上錫性驗(yàn)證

為了進(jìn)一步確認(rèn)焊盤可焊性，對(duì)上錫不良位置清洗后進(jìn)行浸錫試驗(yàn)，并觀察浸錫前后焊盤潤(rùn)濕狀況，結(jié)果如圖7所示：

不良焊盤經(jīng)過酒精清洗并浸錫后，焊盤仍存在上錫不良現(xiàn)象，這側(cè)面證實(shí)了AES分析結(jié)果的正確性，即焊盤金層的金鎳互溶嚴(yán)重影響可焊性，這種不良無法通過清洗或者改變焊接條件來得到優(yōu)化。

 

圖7. 上錫不良位置浸錫前后照片對(duì)比

 

7. PCB上錫性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證PCB光板焊盤上錫狀況，對(duì)PCB光板進(jìn)行浸錫試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示：

PCB光板浸錫后，發(fā)現(xiàn)部分焊盤上錫不良現(xiàn)象，同樣表現(xiàn)為金層未溶入焊錫，與PCBA失效現(xiàn)象一致。

 

圖8. PCB光板焊盤浸錫后照片

 

三、總結(jié)分析

 

本案件失效現(xiàn)象為組裝生產(chǎn)過程中焊盤出現(xiàn)嚴(yán)重的上錫不良現(xiàn)象，局部存在明顯縮錫。

 

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，不良PCBA多處焊盤位置明顯發(fā)現(xiàn)上錫不良現(xiàn)象，表現(xiàn)為焊盤潤(rùn)濕不良、焊盤露金異常。

 

表面分析及上錫不良位置可焊性驗(yàn)證結(jié)果顯示，不良焊盤表面未發(fā)現(xiàn)異常元素，同時(shí)不良焊盤經(jīng)清洗后重新浸錫后仍不上錫，故排除外來污染對(duì)焊盤上錫的影響。

 

剖面分析結(jié)果顯示，上錫不良位置表面平整，未發(fā)現(xiàn)明顯焊錫殘留。鍍層放大后，未發(fā)現(xiàn)明顯鎳腐蝕現(xiàn)象，排除鎳層腐蝕對(duì)焊盤上錫不良的影響。

 

PCB光板鍍層分析結(jié)果顯示，焊盤表面未發(fā)現(xiàn)異常元素存在。焊盤切片后，鍍層未見鎳腐蝕異常。

 

AES分析結(jié)果顯示，金層表面已經(jīng)存在較高含量的鎳，高鎳的存在影響了金層化學(xué)特性。金/鎳互溶的直接影響有兩點(diǎn)：①元素金的化學(xué)特性消失，改變了鍍層表面能，降低其潤(rùn)濕力；②鎳原子向金層中擴(kuò)散導(dǎo)致鎳原子與氧氣接觸的概率增大，氧化鎳本身可焊性差，進(jìn)一步惡化鍍層可焊性。

 

PCB光板測(cè)試結(jié)果顯示，金層厚度偏薄。PCB光板可焊性驗(yàn)證結(jié)果顯示，部分焊盤存在上錫不良現(xiàn)象，表現(xiàn)為金層不溶現(xiàn)象。

 

四、結(jié)論與建議

 

ENIG 焊盤上錫不良的原因?yàn)椋篜CB焊盤金層內(nèi)含有較高含量的鎳，金鎳互溶導(dǎo)致焊盤表面潤(rùn)濕能力降低。

 

建議：

1. 優(yōu)化PCB物料來料質(zhì)量管控，增加可焊性測(cè)試；

2. 監(jiān)控鍍金槽內(nèi)的鎳離子含量，防止鎳含量超標(biāo)；

3. 適當(dāng)增加金層有效厚度，具體參見IPC標(biāo)準(zhǔn)。

 

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簡(jiǎn)介

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