无铅HASL上锡不良案例分析

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1、无铅喷锡（HASL）上锡不良案例研究中国赛宝实验室可靠性研究分析中心邱宝军由于欧盟、美国和我国等国家和地区对铅等有毒物质使用的限制，电子组件中传统的有铅喷锡PCB已经向无铅喷锡PCB转化。然而，在无铅喷锡PCB的使用过程，很多技术人员发现PCB在经过一段时间储存或者经历高温过程后（如回流焊接过程），PCB焊盘很难被焊料润湿，从而造成无铅喷锡PCB部分焊盘出现上锡不良现象。本文将以典型案例分析的方式，给出无铅喷锡PCB上锡不良的失效机理，并介绍针对上述不良的主要分析思路和分析方法，并给出避免无铅喷锡PCB出现上锡不良的相关措施。本文的研究结果避免无

2、铅喷锡PCB出现上锡不良，提高电子产品的可靠性有一定的指导意义。1案例的背景某单位送回流焊接后PCBA样品5块和同批次PCB空板5块，委托单位反应该批次PCBA在经过一次回流焊接后，第二面（B面）部分焊盘存在上锡不良现象，而且在某些IC引脚位置尤为明显。上锡不良的的PCB比例为5%左右。考虑到PCB的A、B面没有显著的差异，且只在第二面存在上锡不良现象，委托单位对焊接工艺顺序进行调整，发现原本焊接良好的A面也存在一定的上锡不良现象，而B面则明显改善。同时委托单位表示，该PCB已经使用很长时间，只有最近的这一批存在上锡不良现象。由于无法准确判断导致

3、上锡不良的原因，委托要求对失效的原因进行分析，从而为解决该失效提高依据。由于涉及客户的部分信息，为保密要求不提供外观照片。2分析过程2.1总体思路根据委托单位提供的信息，该PCB采用的无铅喷锡工艺，且改变工艺流程对上锡不良的现象有明显的改善，初步推断失效的原因可能与无铅喷锡表面镀层在高温下的合金退化导致可焊性下降有关。为了对该失效推断进行验证，则分析思路为：对失效PCBA具体的失效部位进行外观检查，重点检查失效部位的润湿情况，区分上锡不良为不润湿或反润湿，同时检查焊料对引脚的润湿情况。外观检查后对上锡不良焊盘进行切片，验证其镀层的质量情况，重点考

4、核镀层厚度和镀层中锡铜合金情况。为了验证镀层质量问题，还必须对同批次PCB空板对应焊盘位置进行分析。2.2外观检查利用立体显微镜对上锡不良焊盘及对应PCB空板上的对应焊盘进行外观检查，结果发现上锡不良位置主要表现为焊料对焊盘反润湿现象，同批次PCB空板对应焊盘检查发现焊盘镀层存在一定的厚度不均匀性，同时焊盘表面不存在污染等异常现象。检查结果分别见图1和图2。图1PCB焊盘表面反润湿照片图2对应PCB焊盘镀层照片2.3金相分析对上锡不良焊盘进行金相切片获取润湿不良位置PCB焊盘的镀层信息，然后有扫描电子显微镜和能谱分析仪对镀层进行形貌和成分分析，从

5、而判断该位置的喷锡镀层质量状况，上锡不良镀层的SEM照片见图3。由图3可知，上锡不良位置无铅喷锡镀层已经完全合金化，即所有的无铅焊料和PCB铜焊盘之间形成了锡铜合金，锡铜合金（铜和锡的金属间化合物）已经暴露到焊盘表面。由于锡铜合金的可焊性差且在高温下易氧化从而进一步降低可焊性并最终导致焊料和PCB焊盘之间出现反润湿现象。因此，为了保证无铅喷锡处理的可焊性，必须保证在焊接过程中有一定的焊料层可供焊接，典型照片见图4。由于无法准确判断导致锡铜完全合金化的原因到底是工艺不当还是PCB原本喷锡工艺异常，因此为了确定具体的失效原因，还必须对同批次的PCB空

6、板焊盘进行分析。图3上锡不良焊盘纵向SEM照片无铅焊料锡铜合金铜焊盘图4正常无铅喷锡焊盘纵向SEM照片同批次PCB空板对应焊盘的SEM分析照片见图5和图6，其中图5为纵向切片SEM照片，图6为焊盘表面SEM照片。由图5和图6可知，没有经过焊接过程的PCB空板焊盘镀层也存在较为严重的合金暴露情况，PCB空板表面SEM照片可见明显的合金暴露点。同时，PCB空板的合金层厚度经测量大致为2um左右，考虑到合金化会导致厚度增加，原是的无铅喷锡镀层的厚度应在2um以下，显然喷锡层厚度较薄。偏薄的喷锡层在喷锡过程及后续的储存过程都会导致焊料和铜焊盘合计化，且合

7、金厚度会持续增加，因此，最终导致合金层暴露到镀层表面IMCIMC铜层铜层图4PCB空板对应焊盘纵向合金暴露形貌照片图5PCB空板对应焊盘表面合金层暴露形貌照片3结果分析失效样品的外观检查结果表面上锡不良具体表现为焊料和焊盘之间的反润湿，且反润湿部位没有明显的污染痕迹，由于焊料对器件引脚润湿良好，可以排除焊料异常，因此可以推断反润湿的原因是PCB可焊性差导致。对上锡不良位置PCB进行金相分析，同时结合空板焊盘的电镜分析结果，可知PCB焊盘镀层焊料和铜发生了完全的合金化，合金层暴露在空气中导致焊盘可焊性下降是PCB焊盘可焊性差的原因。由于来料的PCB

8、空板也存在较为严重的合金化现象，因此导致此次失效的原因为PCB镀层质量异常。PCB镀层异常可能和镀层偏薄有关。4结论通过对无铅喷锡上锡不