引言

化銀板具有表面平整度高、可焊性強(qiáng)、制程簡單等優(yōu)點，是主要的PCB表面處理工藝之一。然而，其儲存要求高、易受污染、易出現(xiàn)空洞影響焊接強(qiáng)度等問題常導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)失效現(xiàn)象，影響產(chǎn)品可靠性，增加生產(chǎn)成本。

本文以化銀板焊接不良為例，通過外觀觀察、表面分析、切片分析、成分分析、上錫驗證等方法，分析其上錫不良原因與失效機(jī)理，并提出改善建議。

一、案例背景

SMT制程后發(fā)現(xiàn)個別化銀焊盤存在上錫不良問題，不良現(xiàn)象僅集中于固定幾個焊盤，并未表現(xiàn)為整板不良?，F(xiàn)進(jìn)行測試分析，查找PCBA波峰焊點上錫不良的原因。

二、分析過程

1. 外觀檢查

利用體視顯微鏡對上錫不良焊點進(jìn)行光學(xué)檢查，結(jié)果如圖1所示。

除指定焊點位置發(fā)現(xiàn)潤濕不良現(xiàn)象外，其他位置焊點也發(fā)現(xiàn)潤濕不良現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為退潤濕及不潤濕異常。

圖1. 上錫不良焊點外觀檢查照片

2. 表面分析

利用場發(fā)射電子掃描顯微鏡對NG PCBA潤濕不良位置進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如下。

不良位置1：如圖2所示，形貌觀察及成分分析顯示：潤濕不良表面平整，無明顯焊錫殘留，表面存在助焊劑殘留現(xiàn)象；EDS分析顯示，潤濕不良表面存在C、O、Ag、Sn、Cu及少量Mg元素，大量Ag元素存在，說明Ag層未溶入焊料中；潤濕區(qū)與不潤濕交界位置發(fā)現(xiàn)孔洞現(xiàn)象。

圖2. 不良位置1形貌觀察及成分分析結(jié)果

不良位置2：如圖3所示，形貌觀察及成分分析顯示：潤濕不良表面平整，無明顯焊錫殘留；潤濕不良表面發(fā)現(xiàn)較多孔洞分布，對孔洞及周圍成分分析顯示，孔洞內(nèi)Ag含量只有1.3%wt。

圖3. 不良位置2形貌觀察及成分分析結(jié)果

3. 剖面分析

將潤濕不良位置切片后，利用場發(fā)射電子掃描顯微鏡對截面形貌進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如下。

不良位置1：如圖4所示，切片結(jié)果顯示：潤濕區(qū)域IMC生成良好，平均厚度正常，說明焊接熱輸入正常，局部IMC位置還發(fā)現(xiàn)較多空洞存在；潤濕不良區(qū)域發(fā)現(xiàn)Ag層未溶現(xiàn)象，同時Ag下銅層發(fā)現(xiàn)連續(xù)空洞異常（銀下連續(xù)性空洞是不可接受的），空洞位置未見明顯異常元素存在；潤濕區(qū)與不潤濕區(qū)交界位置，因銅層空洞影響，降低了焊錫的鋪展能力。

圖4. 不良位置1切片后截面形貌觀察及成分分析結(jié)果

不良位置2：如圖5所示，切片結(jié)果顯示：潤濕不良表面孔洞位置切片后，發(fā)現(xiàn)銅層凹坑現(xiàn)象，同時凹坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)銀層殘留，該現(xiàn)象說明沉銀之前，該處銅層已經(jīng)存在凹坑現(xiàn)象；銀層殘留的銅層凹坑處存在C、O、Ag、Cu元素，C含量15.6wt%，推測沉銀之前銅箔表面存在污染；潤濕不良區(qū)域，銀層下面同樣發(fā)現(xiàn)銅層空洞現(xiàn)象，成分分析顯示，銀層及下面銅層空洞處含有C、O、Ag、Cu元素，個別銅層空洞C含量為55.7wt%，推測沉銀之前銅箔表面存在污染。

圖5. 不良位置2切片后截面形貌觀察及成分分析結(jié)果

不良位置3：如圖6所示，切片結(jié)果顯示：潤濕區(qū)域局部IMC位置同樣發(fā)現(xiàn)較多空洞現(xiàn)象，孔洞位置含有C、O、Ag、Sn、Cu元素；不潤濕區(qū)域發(fā)現(xiàn)較多銅層凹坑現(xiàn)象，凹坑位置未見明顯IMC生成，說明凹坑影響了焊盤的潤濕及鋪展。

圖6. 不良位置3切片后截面形貌觀察及成分分析結(jié)果

4. PCB光板分析

對同批次PCB光板焊盤位置切片后，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對截面進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如下。

如圖7所示，切片后，焊盤銀層下面銅層局部位置發(fā)現(xiàn)空洞現(xiàn)象，與PCBA上錫不良位置銀層下面空洞類似；EDS分析顯示，銅層空洞位置，銀層及下面空洞處，發(fā)現(xiàn)C、O、Ag、Cu元素，空洞位置C含量28.3wt%，C含量偏高，推測沉銀之前銅箔表面存在污染。

圖7. 同批次PCB光板切片后截面形貌觀察結(jié)果

5. 上錫性驗證

為了驗證同批次PCB光板焊盤上錫狀況，對其進(jìn)行浸錫試驗，結(jié)果如下：

如圖8所示，同批次PCB光板浸錫試驗后，個別焊盤發(fā)現(xiàn)潤濕不良現(xiàn)象，與失效PCBA表現(xiàn)一致。

圖8. 同批次PCB光板浸錫試驗后光學(xué)檢查照片

三、總結(jié)分析

由以上分析結(jié)果可知，化銀焊盤上錫不良的原因主要為焊盤表面存在銀下銅層空洞及銅層凹坑缺陷，回流過程中，降低了焊盤上錫能力而出現(xiàn)潤濕不良現(xiàn)象，焊盤潤濕不良示意圖見圖9所示。

圖9. 焊盤潤濕不良示意圖

銅層凹坑底部發(fā)現(xiàn)銀層存在，故銅層凹坑現(xiàn)象推測主要與焊盤沉銀之前銅箔表面存在微凹坑有關(guān)。

對于銀下銅層空洞產(chǎn)生的機(jī)理，目前業(yè)界研究較少，現(xiàn)業(yè)界對空洞產(chǎn)生機(jī)理的猜想，包括以下三個，分別為：①原電池效應(yīng)；②局部反應(yīng)過快；③殘留藥水導(dǎo)致空洞。

原電池效應(yīng)造成銀下銅層空洞機(jī)理如下：在沉銀反應(yīng)過程中，某些區(qū)域（如阻焊殘渣、污染物與銅面交界處或粗糙度較高處等）藥水交換較慢，此處銀離子供應(yīng)不足，該處銅面不能及時沉積上銀層，銀在其他區(qū)域沉積后，會和該處銅面構(gòu)成電極的兩極，在沉銀藥水中形成原電池回路，在原電池反應(yīng)下，該處的銅層不斷失去電子形成銅離子被腐蝕最終形成空洞，如圖10示意圖（1）所示。

局部沉銀反應(yīng)速率過快也可能形成銅層空洞。局部置換反應(yīng)速率過快，此處溶液中銀離子消耗過快來不及補(bǔ)充，導(dǎo)致銅咬蝕速率大于銀沉積速率，沉積的銀層不能完全覆蓋銅面，未覆蓋處在持續(xù)的置換反應(yīng)中也會形成空洞，如圖10示意圖（2）所示。

銅面有凹坑或者銀溶液沉積速率過快時，沉銀過程會有微量藥水殘留在銀層下，在后續(xù)放置時會繼續(xù)咬蝕銅面造成空洞，如圖10示意圖（3）所示。

圖10. 銀下銅層空洞產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)以上3種空洞形成機(jī)理，結(jié)合銀下銅層空洞位置EDS分析結(jié)果可知，可以排除阻焊殘渣、剝錫殘留、微蝕藥水殘留、沉銀藥水殘留等影響，故推測銀下銅層空洞主要與沉銀之前銅面粗糙度、沉銀之前銅箔表面污染有關(guān)，另外還可能與局部沉銀速度過快（局部溫度過高或藥液濃度偏高）影響因素相關(guān)。

四、結(jié)論與建議

化銀板焊接不良的原因為：焊盤表面存在銀下銅層空洞及銅層凹坑異常，回流過程中，降低了焊盤上錫能力而出現(xiàn)潤濕不良現(xiàn)象。

改善建議

1. 增加PCB來料上錫性驗證，重點關(guān)注銀下銅層連續(xù)性空洞影響及銅層凹坑異常；

2. 增加沉銀之前銅箔來料管控，重點關(guān)注銅箔表面粗糙度及污染狀況。

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