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PCBA器件脱落失效分析

2022-09-08  浏览量:51

 

引言

 

化镍浸金作为高端PCB表面处理的首选,具有可焊接、可触通、可打线、可散热等功能。然而,因其工艺质量的高要求,导致产品镍腐蚀、黑盘等失效问题时有发生。本文以PCBA元器件脱落失效为例,通过表面分析、形貌观察、切片分析与可焊性测试等方法,分析PCBA器件脱落失效的原因与机理,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

PCBA 元器件整体脱落,焊盘发黑。现进行测试分析,查找PCBA器件异常脱落的原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

失效PCBA选取2处典型不良焊点,分别命名为NG1、NG2,利用体视显微镜对不良焊点进行光学检查:

NG1器件脱落位置,脱开界面发现焊盘侧脱落界面相对平整,表面颜色发黑;器件侧界面呈多孔现象;

NG2未脱落器件PCB焊盘表面存在明显润湿不良现象,焊盘颜色发黑异常。

 

2. 表面分析

利用场发射扫描电子显微镜对NG1焊盘及器件脱落界面进行形貌观察及成分分析,结果如下:

PCB焊盘侧表面分析显示:焊盘脱落界面相对平整,表面异物主要为助焊剂残留元素,未见异常元素存在,排除焊盘污染对上锡不良的影响;清洗后,脱落界面发现存在明显泥裂状镍腐蚀现象,成分测试结果显示,表面含有C、O、P、Sn、Ni、Cu元素。

器件侧表面分析显示:器件侧脱落界面存在大量空洞,表面有助焊剂残留;脱落面成分主要为焊锡。

 

NG1不良脱落焊点(清洗前)表面形貌及成分谱图

图1. NG1不良脱落焊点(清洗前)表面形貌及成分谱图

 

NG1不良脱落焊点PCB侧(清洗后)表面形貌及成分谱图

图2. NG1不良脱落焊点PCB侧(清洗后)表面形貌及成分谱图

 

3. 剖面分析

对失效样品NG1、NG2位置和正常样品与OK1(NG2器件相同位置)分别切片后,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。

NG1:如图3所示,截面观察显示:①焊点脱落发生在PCB焊盘与焊料之间,表现为PCB焊盘润湿不良,呈虚焊特征,焊接界面未见明显IMC生成。②器件引脚侧IMC生成正常,排除热输入不足的影响。③放大后观察发现PCB焊盘存在连续带状镍腐蚀,腐蚀深度比例为镍层厚度的32.5%。

 

NG1截面形貌及成分谱图

图3. NG1截面形貌及成分谱图

 

NG2:如图4所示,截面观察显示:未脱落器件焊点截面显示焊接面焊盘多处存在不润湿现象,PCB焊盘焊接界面IMC成分和界面结构异常,焊接界面有连续镍腐蚀现象,未形成有效焊接,影响焊点强度;界面处局部存在的金锡化合物在一定程度上会增加焊点的脆性。

 

NG2截面形貌及成分谱图

图4. NG2截面形貌及成分谱图

 

OK1:如图5所示,截面观察显示:①PCB焊盘多处存在不润湿现象,焊接界面IMC成分和界面结构异常,焊接界面存在镍腐蚀现象,未形成有效焊接,影响焊点强度;界面处局部存在的金锡化合物在一定程度上会增加焊点的脆性。②器件侧IMC结构正常,IMC厚度约1.49~2.18µm,说明热输入正常。

 

OK1截面形貌及成分谱图

图5. OK1截面形貌及成分谱图

 

4. PCB光板分析

4.1 表面分析

利用场发射扫描电子显微镜对失效批次PCB光板焊盘及腿金后焊盘表面进行观察分析,结果如下:

失效批次PCB光板焊盘表面分析显示:焊盘表面未见明显污染。

失效批次PCB光板焊盘褪金处理后表面分析显示:表面明显存在大量泥裂状镍腐蚀和针孔状镍腐蚀现象。

 

失效批次PCB光板焊盘表面分析形貌及成分谱图

图6. 失效批次PCB光板焊盘表面分析形貌及成分谱图

 

失效批次PCB光板焊盘褪金后表面分析形貌及成分谱图

图7. 失效批次PCB光板焊盘褪金后表面分析形貌及成分谱图

 

4.2 剖面分析

为了进一步观察焊盘镍腐蚀状况及探测镍层P含量是否异常,对失效批次PCB光板焊盘切片后,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:

截面分析显示:①镍层存在明显镍腐蚀特征,镍腐蚀黑刺数量明显超过10处,腐蚀深度达镍层厚度的52.6%,依据标准IPC 4552A-2017印制板化学镀镍/浸金(ENIG)镀覆性能规范,该镍腐蚀等级为3级,即拒收。②成分分析显示,Ni层P含量属高磷范畴;③金层厚度属于正常范围。

 

失效批次PCB光板焊盘截面分析形貌及成分谱图

图8. 失效批次PCB光板焊盘截面分析形貌及成分谱图

 

5. 可焊性测试

为了确认失效批次PCB光板焊盘上锡性是否满足要求,对其进行上锡性验证测试,结果如下:

如图所示,失效批次PCB光板焊盘浸锡后,多处焊盘局部存在明显不上锡现象,不满足标准要求。

 

失效批次PCB光板焊盘浸锡后外观照片

图9. 失效批次PCB光板焊盘浸锡后外观照片

 

三、总结分析

 

外观检查结果显示:脱落界面均发现焊盘侧脱落界面相对平整,表面颜色发黑;器件侧界面呈多孔现象;未脱落器件PCB焊盘表面存在明显润湿不良现象,焊盘颜色发黑异常。

 

表面分析结果显示:①PCB焊盘侧脱落界面相对平整,表面有助焊剂残留,未见异常元素存在,排除焊盘污染对上锡不良的影响;② PCB焊盘侧清洗后,脱落界面存在明显泥裂状裂镍腐蚀现象。③器件侧脱落界面存在大量空洞,表面有助焊剂残留,脱落面成分主要为焊锡。

 

剖面分析结果显示:

 

1)脱落焊点截面分析显示:①焊点脱落发生在在PCB焊盘与焊料之间,表现为PCB焊盘润湿不良,呈虚焊特征,焊接界面未见明显连续IMC结构,仅局部存在少量IMC生成。②器件引脚侧IMC生成正常,排除热输入不足的影响。③放大后观察发现PCB焊盘存在连续带状镍腐蚀,腐蚀深度比例为镍层厚度的32.5%。

 

2)未脱落器件焊点截面显示焊接面焊盘多处存在不润湿现象,PCB焊盘焊接界面IMC成分和界面结构异常,焊接界面有连续镍腐蚀现象,未形成有效焊接,影响焊点强度;界面处局部存在的金锡化合物在一定程度上会增加焊点的脆性。

 

3)正常样品截面分析显示:①PCB焊盘焊盘多处存在不润湿现象,焊接界面IMC成分和界面结构异常,焊接界面存在连续镍腐蚀现象,未形成有效焊接,影响焊点强度,同样存在异常脱落的风险;界面处局部存在的金锡化合物在一定程度上会增加焊点的脆性。②器件侧IMC结构正常,IMC厚度约1.49~2.18µm,说明热输入正常。

 

失效批次PCB光板焊盘表面分析显示:焊盘表面未见明显污染,褪金处理后表面明显存在大量泥裂状镍腐蚀和针孔状镍腐蚀现象。

 

失效批次PCB光板焊盘剖面分析显示:①镍层存在明显镍腐蚀特征,镍腐蚀黑刺数量明显超过10处;腐蚀深度达镍层厚度的52.6%,依据标准IPC 4552A-2017印制板化学镀镍/浸金(ENIG)镀覆性能规范,该镍腐蚀等级为3级,即拒收。②成分分析显示,Ni层P属高磷范畴;③金层厚度属于正常范围。可焊性测试结果显示:失效批次PCB光板焊盘浸锡后,多处焊盘局部存在明显不上锡现象,不满足标准要求。

 

以上结果可知,器件异常脱落的原因是焊点未形成有效焊接,直接原因为焊盘镍层存在严重的连续性镍腐蚀现象,导致焊接过程中,焊锡无法与镍层生成有效冶金结合层—IMC层,最终导致焊盘表面呈现黑色氧化镍颜色。

 

综上所述,PCBA焊点器件脱落异常的原因主要与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,最终导致器件焊点强度不足。

 

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焊点器件脱落异常的原因主要与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,最终导致器件焊点强度不足;Ni层腐蚀的发生与PCB生产制程浸金工艺直接相关。

 

改善建议

加强PCB制程浸金工艺质量控制,避免镍腐蚀的发生。

 

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