PCBA器件脱落失效分析

 

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。

 

图1. NG1不良脱落焊点（清洗前）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％。

 

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。

 

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。

 

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。

 

图6. 失效批次PCB光板焊盘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。

 

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。

 

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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简介

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