PCB上锡不良失效分析

 

引言

 

PCB表面处理工艺的多元化，满足了日益复杂的PCB组装焊接要求的同时，也出现了很多兼容性问题， 其中，PCB焊盘上锡不良就是常见的问题之一。本文通过形貌观察、表面分析、切片分析、验证分析等方法，分析PCB上锡不良的失效原因与失效机理，并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

PCB在组装生产过程中焊盘出现明显的上锡不良现象。现进行测试分析，查找焊盘上锡不良原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

利用体视显微镜，对焊盘上锡不良位置进行外观检查，结果如图1所示。/p>

不良PCBA多处焊盘位置明显发现上锡不良现象，表现为焊盘润湿不良、焊盘露金异常。

 

图1. 上锡不良焊点外观检查照片

 

2. 表面分析

为了确认不良焊盘表面是否存在异常元素及观察润湿不良位置形貌及成分，对不良焊盘清洗后进行形貌观察及成分分析，结果如图2所示：

上锡不良焊盘表面形貌未见明显污染和镍腐蚀异常；EDS结果显示，上锡不良位置未发现异常元素存在；上锡不良位置发现较多Au元素存在，即焊盘Au层未溶入焊锡。后续通过AES对焊盘金层进一步分析。

 

图2. 上锡不良焊盘清洗后SEM图片及EDS能谱图

 

3. 剖面分析

为了观察上锡不良焊盘截面形貌，对上锡不良焊盘进行剖面分析，结果如图3所示：

上锡不良位置表面平整，未发现明显焊锡残留，与表面观察结果一致。镀层放大后，未发现明显镍腐蚀现象，排除镍层腐蚀对焊盘上锡不良的影响；其他正常焊盘焊接未见异常。

 

图3. 不良PCBA焊点切片后截面形貌观察形貌及EDS能谱图

 

4. PCB光板分析

为了确认PCB光板镀层是否存在异常，对PCB光板焊盘进行表面分析及剖面分析，结果如下：

表面分析：如图4所示：PCB焊盘表面形貌未见明显污染与镍腐蚀现象，未发现异常元素存在。

 

图4. PCB光板焊盘表面形貌及EDS谱图

 

剖面分析：如图5所示：PCB焊盘切片后，镀层未见镍腐蚀异常；EDS结果显示，Ni层P含量属正常范围。

 

图5. PCB光板焊盘剖面形貌及EDS谱图

 

5. AES分析

为了确认上锡不良焊盘及PCB焊盘极表面成分状况，现通过AES对上锡不良焊盘、PCB光板焊盘进行测试，结果如图6及表1~2所示：

金层表面已经存在较高含量的镍，高镍的存在影响了金层化学特性。金/镍互溶的直接影响有两点：①元素金的化学特性消失，改变了镀层表面能，降低其润湿力；②镍原子向金层中扩散导致镍原子与氧气接触的概率增大，氧化镍本身可焊性差，进一步恶化镀层可焊性。

PCB光板：PCB焊盘表面检测到Ni元素；测试结果显示，纯金层厚度偏薄（备注：C的峰极其微小，但是C的灵敏度很高，极其微小的C，峰也能出来。）

 

图6. AES测试位置

 

表1. PCBA不良焊盘表面清洗后AES测试结果（At.%）

（备注：溅射深度参照硅片溅射速度进行计算得出，故数据结果与实际深度有偏差。）

 

表2. PCB光板焊盘表面AES测试结果（At.%）

（备注：溅射深度参照硅片溅射速度进行计算得出，故数据结果与实际深度有偏差。）

 

6. 不良焊盘上锡性验证

为了进一步确认焊盘可焊性，对上锡不良位置清洗后进行浸锡试验，并观察浸锡前后焊盘润湿状况，结果如图7所示：

不良焊盘经过酒精清洗并浸锡后，焊盘仍存在上锡不良现象，这侧面证实了AES分析结果的正确性，即焊盘金层的金镍互溶严重影响可焊性，这种不良无法通过清洗或者改变焊接条件来得到优化。

 

图7. 上锡不良位置浸锡前后照片对比

 

7. PCB上锡性验证

为了验证PCB光板焊盘上锡状况，对PCB光板进行浸锡试验，结果如图8所示：

PCB光板浸锡后，发现部分焊盘上锡不良现象，同样表现为金层未溶入焊锡，与PCBA失效现象一致。

 

图8. PCB光板焊盘浸锡后照片

 

三、总结分析

 

本案件失效现象为组装生产过程中焊盘出现严重的上锡不良现象，局部存在明显缩锡。

 

外观检查发现，不良PCBA多处焊盘位置明显发现上锡不良现象，表现为焊盘润湿不良、焊盘露金异常。

 

表面分析及上锡不良位置可焊性验证结果显示，不良焊盘表面未发现异常元素，同时不良焊盘经清洗后重新浸锡后仍不上锡，故排除外来污染对焊盘上锡的影响。

 

剖面分析结果显示，上锡不良位置表面平整，未发现明显焊锡残留。镀层放大后，未发现明显镍腐蚀现象，排除镍层腐蚀对焊盘上锡不良的影响。

 

PCB光板镀层分析结果显示，焊盘表面未发现异常元素存在。焊盘切片后，镀层未见镍腐蚀异常。

 

AES分析结果显示，金层表面已经存在较高含量的镍，高镍的存在影响了金层化学特性。金/镍互溶的直接影响有两点：①元素金的化学特性消失，改变了镀层表面能，降低其润湿力；②镍原子向金层中扩散导致镍原子与氧气接触的概率增大，氧化镍本身可焊性差，进一步恶化镀层可焊性。

 

PCB光板测试结果显示，金层厚度偏薄。PCB光板可焊性验证结果显示，部分焊盘存在上锡不良现象，表现为金层不溶现象。

 

四、结论与建议

 

ENIG 焊盘上锡不良的原因为：PCB焊盘金层内含有较高含量的镍，金镍互溶导致焊盘表面润湿能力降低。

 

建议：

1. 优化PCB物料来料质量管控，增加可焊性测试；

2. 监控镀金槽内的镍离子含量，防止镍含量超标；

3. 适当增加金层有效厚度，具体参见IPC标准。

 

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