非典型的焊盘原因导致的焊接不良案例分析

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1、非典型的焊盘原因导致的焊接不良案例分析【来源:中国赛宝实验室（信息产业部电子第五研究所）】【编辑:】【时间:2011-6-18:57:45】【点击:62】摘要：本文通过对一例非典型原因导致的焊盘可焊性不良而引起的焊接不良案例的分析，介绍了焊接失效的分析过程。对于润湿不良且无明显的氧化污染或被腐蚀的特征的非典型焊盘，业界一直找不到真正的原因。而本文则通过引入光电子能谱的表面分析手段，对润湿不良的焊盘的表面化学物质组成及其深度分布进行了分析，结果发现镍镀层中镍的扩散至金表面导致了焊盘可焊性的急剧下降

2、，最终揭示了导致使用该焊盘进行焊接而引起的焊接不良的主要原因，为下一步避免或控制类似问题提供了改进的依据。前言随着无铅化与无卤化等环保运动的深入，电子制造面临着越来越多的技术挑战与压力，其中受影响最大的莫过于PCB 与元器件等的供应商。按照作者的经验和初步的统计，无铅产品中所暴露的质量问题70％以上与PCB 的质量有关，特别是焊盘的表面处理与基材的稳定性等方面，常常由于镀层不良，如腐蚀、氧化以及污染等原因导致本身就已经困难的无铅焊接更多的不良。不过令人欣慰的是由于这类原因导致的焊接不良比较容易发

3、现并很快得到解决。最近笔者发现，有一类焊盘的镀层既无污染又无明显的腐蚀或氧化，但其就是不能被焊料很好的润湿，造成这类问题的原因一时难以分析清楚，给相关各方带来许多困扰。本文将就此类非典型问题展开研究，并通过一个案例来介绍这一分析解决问题的思路与方法。1 样品描述收到委托单位所送的一块不良PCBA和一块同批次的PCB光板样品，以及一块只印刷锡膏没有贴装零部件并经过回流焊的PCB样品（见图1）。委托单位反映使用该批PCB样品的PCBA存在明显多处焊接不良，没有贴件的经过回流焊的PCB上也有多处焊盘润

4、湿不良，所用焊锡膏经过确认没有质量问题。依据委托单位要求，对该批样品焊接不良的原因进行分析，以便找到改进的依据。                                图1 焊接不良样品接收态外观照片（左：PCBA，右：PCB空板回流后样品）2 分析过程2.1 外观检查首先对委托单位所送失效样品进行了外观检查，发现失效样品的焊点焊盘表面普遍存在不润湿和反润湿现象，部分引脚间还存在少量锡珠，PCB焊盘的表面处理为化学镍金（ENIG），代表性外观照片如图2所示。显然，尽管经过了焊锡的高温回流

5、过程，但表面的金镀层仍然存在没有溶解，焊锡依然没有办法润湿焊盘的某些部位或某些区域的焊盘。                    图2 焊点表面代表性外观照片2.2 可焊性测试为了确认PCB焊盘上锡不良是否与其焊盘焊接前受污染有关，参考IPC-J-STD-003B标准的方法TestC1，对PCB空板样品清洗前后的焊盘分别进行可焊性测试，清洗条件是异丙醇与纯水溶液中超声波清洗10分钟，测试条件：焊料组成：Sn96.5Ag3.0Cu0.5；焊接温度：255℃；活性焊剂：松香：25%，异丙醇：74.6

6、1%，二乙胺盐酸盐：0.39%；焊接时间：5＋0/－0.5s。结果发现：所检焊盘清洗前后均存在明显的反润湿和不润湿，所检焊盘可焊性不符合标准IPC-J-STD-003B规定的TEST C1项的可接收要求。                                                             可焊性测试后代表性外观照片如图3所示。2.3 金相切片及SEM/EDS分析任选一焊接不良的IC器件的焊点，制作其金相切片并对其进行SEM&EDS分析，结果发现：所检焊点引脚一

7、侧焊接界面可见均匀连续的金属间化合物（IMC）层，IMC层平均厚度约1.8μm，而PCB焊盘一侧焊接界面IMC层不连续，且焊盘镍（Ni）镀层普遍存在微小裂缝，严重处裂缝深度达镍层厚度的三分之二，代表性SEM 照片如图4所示。此外，任选一空板回流后的焊盘对其截面进行SEM&EDS分析发现，焊盘镍层同样存在较严重的裂缝，代表性SEM照片如图5所示。为进一步确定PCB焊盘镍镀层的质量，在空白PCB样品上任选一空焊盘去金后对其表面进行SEM&EDS分析，结果发现，所检焊盘存在一定程度的镍层开裂，但磷（P

8、）元素含量正常，约为7.9％wt，并没有发现明显的镍腐蚀现象，代表性SEM照片如图6所示。                                                           图4PCBA焊点截面金相照片与代表性SEM照片图 5 空白PCB回流后的焊盘焊点截面SEM照片                                                        图6 PCB样品焊盘去金后的镍镀层表面SEM照片将PCBA样品上器件机械剥离后对其焊盘