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PCBA焊点吹孔不良原因分析

2022-11-06  浏览量:53

 

引言

 

吹孔是指插件过波峰焊时,孔内气体因高温而从焊锡中喷出,使焊锡中形成的空洞。因高温高湿、镀层质量、有机污染物等原因造成的插件焊点吹孔,常导致PCBA焊接不良,影响产品可靠性。

 

本文以PCBA焊点吹孔不良为例,通过CT检测、表面分析、切片分析与可焊性测试等方法,分析其失效原因,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

某PCBA波峰焊过程中插件焊点出现吹孔现象,初步分析确认孔内上锡不良。现进行测试分析,查找PCBA焊点吹孔的原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

对PCBA吹孔焊点进行光学检查。不良成品个别插件焊点观察到吹孔异常,PCB孔环表面局部呈现润湿不良特征,无明显焊锡残留。

 

PCBA焊点光学检查典型照片

图1. PCBA焊点光学检查典型照片

 

2. CT分析

为观察焊点内部状况,利用CT断层扫描技术对PCBA 不良样品进行透视检查,NG1样品个别焊点内部局部无焊锡填充;NG2样品个别插件焊点内部存在较大空洞,空洞分布位置无明显规律性。

 

PCBA样品CT扫描图片

图2. PCBA样品CT扫描图片

 

3. 表面分析

对不良成品吹孔不良表面进行观察分析,不良成品孔环附近表面疑似存在助焊剂残留,孔边缘阻焊表面发现少量点状异物,主要成分为Sn/C/O/Br/Cl等元素。

 

NG不良焊点表面形貌及EDS成分分析谱图

图3. NG不良焊点表面形貌及EDS成分分析谱图

 

4. 剖面分析

为了观察焊点内部状况,对不良焊点进行切片分析,结果如下:

NG1:①吹孔异常焊点插件侧焊锡呈润湿铺展状态,通孔侧局部镀层合金化异常,尤其拐角处更为严重,呈现润湿不良特征;②通孔锡镀层局部结构异常,光镜下颜色发黑,探测到异常硫元素、较高含量氧元素。

 

NG1 不良焊点切片后金相及SEM+EDS分析结果

图4. NG1 不良焊点切片后金相及SEM+EDS分析结果

 

NG2:①异常焊点垂直切片后,内部存在较大空洞;②插件Pin针棱角处存在镀层合金化现象,而其他位置有明显润湿情况,后续通过可焊性测试进行验证。

 

NG2不良焊点切片后金相及SEM+EDS分析结果

图5. NG2不良焊点切片后金相及SEM+EDS分析结果

 

孔径及引脚尺寸测量:NG样品孔径与器件引脚间隙设计满足IPC-2222A -2010 刚性有机印制板设计分标准要求。

 

焊点水平切片后截面尺寸测量结果

图6. 焊点水平切片后截面尺寸测量结果

 

5. 来料分析

5.1 来料表面分析

对来料插件及PCB焊盘表面进行显微观察分析,焊盘表面锡层均发现合金化现象,且通孔拐角位置均发现含硫污染物,个别区域还发现少量氯元素。

插件PIN表面除少量点状污染物外,未见异常现象,污染物未检测到异常元素存在。

 

来料PCB表面形貌及EDS成分谱图

图7. 来料PCB表面形貌及EDS成分谱图

 

来料插件引脚表面形貌及EDS成分谱图

图8. 来料插件引脚表面形貌及EDS成分谱图

 

5.2 来料PCB剖面分析

对来料PCB的通孔切片后,进行显微观察分析, PCB通孔剖面发现镀层不均匀,局部合金化严重;局部区域颜色发黑,同样探测到异常硫元素、较高含量氧元素,与表面分析污染物成分一致。

 

来料PCB剖面形貌及EDS成分谱图

图9. 来料PCB剖面形貌及EDS成分谱图

 

6. 可焊性测试

参考IPC相关标准分别对PCB光板及插件原物料进行可焊性验证, PCB光板浸焊切片后,发现孔内存在大小不一的空洞,空洞位置镀层探测到硫、氧等元素,与失效样品切片结果一致。

 

PCB光板浸焊后剖面形貌及EDS成分谱图

图10. PCB光板浸焊后剖面形貌及EDS成分谱图

 

插件原物料:插件引脚浸焊后,表面润湿完好;通过切片金相观察分析未见异常。

 

插件引脚浸锡后外观照片

图11. 插件引脚浸锡后外观照片

 

PIN 1浸焊后切片截面金相照片

图12. PIN 1浸焊后切片截面金相照片

 

三、总结分析

 

对焊点进行外观检查发现,严重吹孔成品PCB孔环表面局部呈现润湿不良特征及无明显焊锡残留现象。对焊点进行CT断层扫描发现,多个焊点内部存在不上锡或较大空洞,空洞分布无明显规律性。

 

吹孔焊点剖面分析结果显示:①通孔局部镀层存在明显合金化现象,尤其上、下拐角处更为严重,合金化位置润湿不良;②通孔局部镀层存在结构异常(颜色发黑、镀层缺失),颜色发黑区域探测到异常硫元素、较高含量氧元素;③孔径与器件引脚间隙设计满足IPC-2222A -2010 刚性有机印制板设计分标准要求。

 

来料PCB表面分析显示:来料PCB光板孔环表面锡层均存在合金化现象,且通孔拐角位置均发现含硫污染物现象,个别区域还发现少量氯元素。

 

来料PCB剖面分析显示:PCB通孔镀层不均匀,存在局部合金化及无锡层现象;镀层存在局部结构异常,含有异常硫元素及较高含量的氧元素,与表面分析污染物成分一致。

 

插件Pin表面除少量点状污染物外,未见异常现象,污染物未检测到异常元素存在。

 

可焊性测试结果显示:PCB光板浸焊切片后,发现孔内存在大小不一的空洞;插件Pin浸焊后,未观察到明显上锡不良现象。

 

四、结论与建议

 

综上所述,PCBA插件焊点吹孔不良的原因包括:①PCB通孔镀层局部存在严重合金化异常,降低了镀层表面润湿能力;②PCB镀层结构异常(颜色发黑、镀层缺失),且颜色发黑物质含硫、氧等异常元素。

 

改善建议

1. 严格控制PCB焊盘镀层质量,避免镀层合金化;

2. 排查PCB通孔表面含S污染物来源。

 

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