OSP焊盘上锡不良失效分析

 

引言

 

OSP表面处理工艺具有控制简单、成本低廉、表面平整等优点，越来越广泛应用于PCB生产制造中。然而，在实际生产过程中，工艺不良、产品储存或使用不当等都容易导致OSP板出现表面变色、膜厚不均匀、焊盘上锡不良、虚焊及焊锡不饱满等问题。

 

本文以OSP焊盘上锡不良为例，分析其失效原因与机理，并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

OSP 焊盘过两次炉温后，波峰焊出现严重的上锡不良。降低炉温后，无可焊性问题。现进行测试分析，查找OSP焊盘上锡不良的原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

利用体视显微镜对上锡不良波峰焊点进行光学检查。多数波峰焊点孔环表面存在明显上锡不良现象，呈现退润湿及不润湿特征；不润湿位置呈现OSP膜层颜色，疑似OSP膜层未被去除。

 

图1. NG PCBA上锡不良波峰焊点外观检查照片

 

2. 表面分析

利用场发射扫描电子显微镜对NG PCBA波峰焊点润湿不良位置进行形貌观察及成分分析。

润湿不良位置表面平整，表面无明显焊锡残留现象；成分分析显示，润湿不良位置未发现明显异常元素存在；Cl元素推测来自未去除OSP膜层成分，后续通过其他分析手段进一步确认。

 

图2. NG PCBA波峰焊点润湿不良位置形貌观察及成分分析

 

3. 剖面分析

将润湿不良位置切片、FIB切割后，利用场发射扫描电子显微镜、FIB对截面形貌进行观察分析，结果如下。

润湿不良位置1无明显焊锡残留，形貌放大后，局部疑似OSP膜层残留；润湿不良位置2 FIB切割后，明显发现OSP膜层残留现象。

 

图3. NG PCBA波峰焊点润湿不良位置切片、FIB切割后截面形貌观察照片

 

4. OSP膜层成分分析

为了表征OSP有机膜受热分解程度及对比NG批次PCB光板（命名为样品A）与对比PCB光板（命名为样品B）OSP膜层成分是否存在差异，借助FT-IR及XPS分析手段分别对NG批次PCB光板、对比PCB光板、二次回流NG批次PCB光板（命名为样品C）OSP膜层成分进行分析，结果如下。

 

4.1 FT-IR分析

如图4所示，红外光谱分析结果显示：

①样品A OSP膜红外光谱信息弱，相较于样品B OSP膜红外光谱信息弱，表明样品A OSP膜厚度可能较薄；

②样品C OSP膜红外光谱中出现了新的N-H官能团，表明OSP膜经过二次回流可能发生了结构变化。

 

图4. OSP膜层红外谱图

 

4.2 XPS分析

XPS分析结果显示：

①三个样品孔环OSP膜表面主要测到 C/O/N/Cl/Cu/Si 等元素，样品C表面也测到少量的Sn；

②三个样品表面的Si主要判定为有机硅、N为有机氮、Cl的化学态包含有机氯和氯化铜；其中A和B样品表面的成分比较接近：有机物有芳香环结构（π-π），铜主要为氯化亚铜（CuCl）；而样品C表面未测到明显的芳香环结构，且有机物酯类比较明显，铜主要为氢氧化铜【Cu(OH)2】和氯化亚铜(CuCl)的混合；

③样品C表面测到的Sn主要为氧化锡。

 

图5. XPS分析谱图

 

5. OSP膜厚测试

利用FIB对样品A、样品B及样品C OSP膜层分别进行观察及厚度测量，结果如下：

①样品A与样品B OSP膜层形貌无明显差异，但厚度差异明显；

② 样品A与样品C OSP膜层形貌存在明显差异，样品C膜层内部弥散分布较多颗粒状物质，而样品A膜层未观察到该现象；样品A、样品C膜层厚度较样品B膜层厚度，明显偏小。

 

图6. FIB切割后OSP膜层观察及膜层厚度测量结果

 

6. 上锡性验证

为了确认二次回流NG批次PCB光板确实存在上锡不良现象及降低炉温后上锡性变正常，对二次回流NG批次PCB光板及降低炉温后二次回流NG批次PCB光板分别进行上锡性验证。

（备注：降低炉温后回流曲线满足标准IPC 7530A-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求。）

二次回流NG批次PCB光板浸锡后，多数通孔孔环表面发现明显润湿不良现象，而降低炉温后二次回流NG批次PCB光板浸锡后，通孔孔环润湿完好。

以上结果表明：当炉温调低到标准IPC 7530A-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求的范围内时，NG批次PCB光板上锡正常，即NG批次PCB光板可焊性满足标准要求；初始炉温曲线峰值温度最高245.3℃，位于标准IPC 7530A-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求的上限。

 

图7. 降低炉温后的二次回流炉温

 

图8. 初始炉温下二次回流炉温

 

图9. 二次回流NG批次PCB光板浸锡后外观照片

 

图10. 降低炉温后二次回流NG批次PCB光板浸锡后外观照片

 

7. 锡样成分测试

参考标准JIS Z3910:2017 钎料分析方法，利用电感耦合等离子体发射光谱仪对锡样进行成分分析，结果如下：

锡样为锡银铜合金。对于波峰焊接锡炉成分，行业一般采用锡铜合金，以避免通孔孔铜被过度咬蚀，建议锡炉采用锡铜合金，但本案件中锡炉成分不是导致OSP上锡不良的原因。

 

三、总结分析

 

外观检查结果显示：NG PCBA多数波峰焊点孔环表面存在明显上锡不良现象，呈现退润湿及不润湿特征；不润湿位置呈现OSP膜层颜色，疑似OSP膜层未被去除。

 

表面分析及剖面分析结果显示：润湿不良位置未发现明显异常元素存在；润湿不良位置FIB切割后，明显发现OSP膜层残留现象。

 

NG批次PCB光板及二次回流NG批次PCB光板OSP膜层成分分析结果显示：①二次回流NG批次PCB光板较NG批次PCB光板，OSP膜红外光谱中出现了新的N-H官能团，表明OSP膜经过二次回流发生了结构变化；②NG批次PCB光板，OSP膜层有机物有芳香环结构（π-π），铜主要为氯化亚铜（CuCl），而二次回流NG批次PCB光板OSP表面未测到明显的芳香结构，且有机物酯类比较明显，铜主要为氢氧化铜和氯化亚铜的混合。二者充分说明，二次回流后，OSP膜层成分发生了变化。

 

OSP膜层观察与厚度测量结果显示：NG批次PCB光板与二次回流NG批次PCB光板，OSP膜层形貌存在明显差异，后者膜层内部弥散分布较多颗粒状物质，而前者膜层未观察到该现象。

 

上锡性验证结果显示：①二次回流NG批次PCB光板浸锡后，多数通孔孔环表面发现明显润湿不良现象，该结果表明，二次回流后OSP膜层形貌及成分的变化，确实可以导致上锡不良的发生；②降低炉温后的二次回流NG批次PCB光板（回流曲线满足标准IPC 7530A-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求）浸锡后，通孔孔环润湿完好，说明NG批次PCB光板可焊性满足标准要求；③初始炉温曲线峰值温度最高245.3℃，位于标准IPC 7530A-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求的上限。

 

对比NG批次PCB光板与对比PCB光板FT-IR、XPS及FIB分析结果可知：二者膜层成分比较接近：有机物有芳香环结构（π-π），铜主要为氯化亚铜（CuCl），但二者膜厚存在明显差异，前者与后者OSP膜厚平均值分别为225.9nm、585.5nm，即NG批次PCB光板OSP膜厚明显偏薄，故其相较于对比PCB光板，耐热能力偏低。

 

四、结论与建议

 

综上所述，二次回流后OSP膜上锡不良的原因包括：①相对较高的回流温度；②OSP膜相对偏薄，耐热能力相对偏低。

 

改善建议

1. 适当降低回流峰值温度，避免OSP膜层承受较高温度冲击；

2. 适当增加OSP膜层厚度，提高其耐热能力。

 

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