焊点焊接不良原因分析

引言

镍腐蚀是化镍金工艺一直以来面临的一个品质问题，镍腐蚀的存在会导致PCB的可焊性下降，造成焊点强度变差，甚至掉元器件等情况，降低PCBA产品的可靠性。本文以PCBA焊点焊接不良为例，通过外观检查、表面分析、切分分析等方法，分析其失效机理与原因，并提出改善建议。

一、案例背景

贴片后，热压焊端子线后轻拉有掉端子线现象，其它电容电阻用指甲推也有掉件现象。不良品同SET板未焊线的产品还发现有上锡不良现象。现进行测试分析，查找PCBA焊点焊接不良的原因。

二、分析过程

1. 外观检查

选取典型不良焊点，利用体视显微镜对不良焊点进行光学检查，结果如图所示。

多数不良焊点焊盘表面存在明显润湿不良现象，焊盘颜色发黑异常；个别焊点脱开，脱开界面焊盘侧颜色发黑。

图1. 不良焊点外观检查照片

2. 表面分析

利用场发射电子扫描显微镜对不良焊点进行形貌观察及成分分析，结果如下。

NG1：如图2所示，焊盘润湿不良位置表面平整，局部存在焊锡及助焊剂残留现象；润湿不良表面含有C、O、P、Sn、Ni元素，焊锡残留位置含有C、O、Ag、Sn、Ni、Cu元素，助焊剂残留位置含有C、O、Sn、Ni元素，均未见异常元素存在，排除污染对焊盘润湿不良的影响。

图2. 不良焊点（NG1）表面形貌观察及成分分析结果

NG2：如图3所示，焊点脱开界面（焊盘侧）平整，成分含有C、O、P、Sn、Ni元素，未见异常元素存在。

图3. 不良焊点（NG2）表面形貌观察及成分分析结果

3. 剖面分析

对上述不良焊点切片后，利用场发射扫描电子显微镜对截面形貌及成分进行观察分析，结果如下。

NG：如图4所示，切片结果显示：不良焊盘切片后，焊锡残留位置及未残留位置，都发现不润湿现象；放大观察后，不润湿位置存在明显的连续性镍腐蚀异常；Ni层P含量为6.2wt%。

图4. 不良焊点（NG）切片后截面形貌观察及成分分析结果

三、总结分析

外观检查结果显示：多数不良焊点焊盘表面存在明显润湿不良现象，焊盘颜色发黑异常；个别焊点脱开，脱开界面焊盘侧颜色发黑。

不良位置表面分析结果显示：焊盘润湿不良位置表面平整，局部存在焊锡及助焊剂残留现象；润湿不良表面含有C、O、P、Sn、Ni元素，未见异常元素存在，排除污染对焊盘润湿不良的影响。

不良位置剖面分析结果显示：焊锡残留位置及未残留位置，都发现不润湿现象；放大观察后，不润湿位置存在明显的连续性镍腐蚀异常；Ni层P含量在6.2wt%~7.5wt%之间。

综上所述，PCBA焊点焊接不良的原因主要与连续性Ni层腐蚀有关，Ni层腐蚀后，焊接过程中，Au层迅速熔融焊锡中，而作为焊接基底的Ni层无法与焊锡形成有效的冶金结合，即IMC层，最终导致焊点润湿不良的发生。

Ni层腐蚀主要是因为PCB焊盘在浸金过程中，镍层表面遭受过度氧化反应。大体积的金原子不规则沉积，及其粗糙晶粒之稀松多孔，造成底下镍层持续发生『化学电池效应』(Galvanic effect)，进而使得镍层不断发生氧化，导致在金面下生成未能溶解的镍锈持续累积而成。

四、结论与建议

PCBA焊点焊接不良的原因主要与PCB焊盘Ni层发生了连续性镍腐蚀有关，导致基底Ni层无法与焊锡生成有效的冶金结合，即IMC层，最终导致焊点润湿不良的发生。

改善建议

增加PCB物料来料质量管控，如可焊性验证测试，避免异常物料流入生产。

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