沉錫PCB焊接失效分析方法介紹

李 伏 李 斌 辜小謹(jǐn)（汕頭超聲印制板公司，廣東 汕頭 515065）

沉錫PCB焊接失效分析方法介紹

李 伏 李 斌 辜小謹(jǐn)
（汕頭超聲印制板公司，廣東 汕頭 515065）

根據(jù)多例沉錫焊接失效案例，對(duì)導(dǎo)致沉錫PCB焊接失效的原因進(jìn)行了分析，并詳細(xì)的介紹了多種沉錫PCB焊接失效分析方法。

沉錫；電路板；可焊性；失效分析方法

沉錫表面處理具有成本低、不容易變色、可以返工、平整度高、銅錫焊接可靠性高、滿足無(wú)鉛焊接需求等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此近些年隨著無(wú)鉛焊接的廣泛實(shí)施，沉錫表面處理在PCB各種表面處理中所占的比重也逐年上升，尤其是在具有高可靠性需求的PCB，如汽車電路板中得到了越來(lái)越廣泛應(yīng)用，但隨之而來(lái)的便是客戶時(shí)有投訴的可焊性不良問(wèn)題。那么導(dǎo)致沉錫PCB焊接失效的原因是什么，又如何對(duì)沉錫焊接失效板件進(jìn)行原因分析呢？為此本文詳細(xì)闡述了導(dǎo)致沉錫焊接失效的各種原因，并結(jié)合眾多失效案例，介紹了多種沉錫焊接失效分析方法，希望能給業(yè)界同行在分析沉錫PCB焊接失效原因時(shí)提供一定的方法參考，進(jìn)而控制好沉錫品質(zhì)。

1 焊接不良的定義

焊接實(shí)質(zhì)上就是使熔融的焊料與焊接襯底，即待焊接表面接觸，通過(guò)焊料與焊接基材之間的原子相互擴(kuò)散，在界面上形成一層金屬間化合物（IMC）的過(guò)程。焊料潤(rùn)濕過(guò)程主要包含以下三個(gè)步驟：

（1）液體焊料在基底金屬上面擴(kuò)散，接觸角由界面張力的平衡來(lái)決定；

（2）基底金屬溶入液體焊料；

（3）基底金屬與液體焊料起反應(yīng)形成金屬間化合物（IMC）。

當(dāng)焊料無(wú)法潤(rùn)濕焊盤表面時(shí)，則出現(xiàn)焊接失效或焊接不良。根據(jù)焊料潤(rùn)濕焊盤表面的特征來(lái)分，焊接失效又可以分為以下四種類型，其焊接失效圖片如圖1所示，相關(guān)焊接失效類型定義如下：

Dewetting（反潤(rùn)濕）：本來(lái)焊料是擴(kuò)展平鋪開(kāi)了，但是又縮回去了，中間留下了錫爬過(guò)的痕跡，在空焊盤上很容易看出來(lái)。

Poor wetting（潤(rùn)濕性差）：顧名思義，有些地方?jīng)]有錫。

Non wetting（不潤(rùn)濕）：根本就沒(méi)有潤(rùn)濕，錫成球形。如水銀在桌面上，成水珠形狀。

Cold soldering（冷焊）：焊點(diǎn)是灰色的，粗糙,如同焊點(diǎn)是生的，沒(méi)熟。熟的焊點(diǎn)較亮（無(wú)鉛焊點(diǎn)偏暗）。

圖1 焊接失效典型圖片

2 沉錫PCB焊接失效原因分析

焊錫性好壞主要與表面自由能有關(guān)，也就是可焊性取決于被焊底金屬表面的自由能及焊料本身的表面能。凡底金屬表面能大于焊錫本身表面能，則焊錫性較好，反之較差，甚至出現(xiàn)不沾錫的情況。在實(shí)際焊接中引起焊接不良的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）焊接熱量不足；

（2）錫膏活性太低；

（3）預(yù)熱時(shí)間太短或溫度太高；

（4）PCB表面處理不良；

（5）回流時(shí)回流區(qū)溫度不足、時(shí)間太長(zhǎng)或太短；

（6）零件腳氧化、污染或變形等。

沉錫表面處理的焊接機(jī)理比較簡(jiǎn)單，即焊料熔融后，銅與錫直接反應(yīng)生成Cu6Sn5的合金層。由于是銅與錫的直接焊接，因此潤(rùn)濕效果遠(yuǎn)好于沉金等表面處理，且焊點(diǎn)強(qiáng)度高，可靠性好。但在實(shí)際裝配焊接過(guò)程中，沉錫PCB也時(shí)有焊接失效問(wèn)題發(fā)生。從焊接失效案例分析來(lái)看，錫面污染、錫厚不足是影響沉錫板件可焊性不良的主要原因，其可焊性不良原因的魚(yú)骨圖分析如下圖2所示。

3 沉錫PCB焊接失效分析方法介紹

沉錫PCB焊接失效分析大致可以按幾大步驟進(jìn)行，即失效現(xiàn)象觀察及失效原因初判→失效原因分析→得出失效結(jié)論。在實(shí)際的沉錫焊接失效案例分析中，可以綜合以下幾種方法對(duì)失效的原因進(jìn)行具體分析，以使分析結(jié)果全面、準(zhǔn)確，確保找到導(dǎo)致焊接失效的真因。以下將結(jié)合實(shí)際失效案例對(duì)各種沉錫失效分析方法及手段進(jìn)行介紹。

圖2 沉錫PCB可焊性不良原因魚(yú)骨圖

3.1 焊接失效現(xiàn)象觀察及失效原因初判

當(dāng)收到焊接失效的PCB樣板時(shí)，首先需了解失效PCB板件的數(shù)量、比例、生產(chǎn)時(shí)間等相關(guān)信息,然后對(duì)焊接失效情況進(jìn)行初判。首先需確認(rèn)失效焊點(diǎn)是發(fā)生在第一次焊接面還是第二次焊接面，發(fā)生焊接失效的焊盤是局部潤(rùn)濕不良還是整面潤(rùn)濕不良。根據(jù)沉錫板件的焊接失效經(jīng)驗(yàn)，第一面焊接后即發(fā)生失效的情況較少，焊接失效多發(fā)生在第二面裝配時(shí)，且基本出現(xiàn)在局部位置。

3.1.1 案例一

圖3是一個(gè)沉錫PCB焊接失效的案例，從圖片上看雙面焊接效果差異明顯。即元件面焊接良好，無(wú)論是BGA還是SMT焊點(diǎn)均非常飽滿。而焊錫面焊盤表面多處缺錫或錫量不足，從切片分析看，SMT上錫位置潤(rùn)濕角度正常，IMC生成均勻；對(duì)未上錫位置再次進(jìn)行可焊性浸錫測(cè)試，均良好濕潤(rùn)；從未焊接的焊盤看，錫面顏色正常，進(jìn)一步排除PCB錫面異常的可能性，因此失效原因應(yīng)為局部印錫膏不良導(dǎo)致。

圖3 錫膏印刷不良導(dǎo)致的焊接失效

3.1.2 案例二

圖4也是一個(gè)沉錫焊接失效案例，經(jīng)確認(rèn)小元器件如電阻焊接強(qiáng)度都比較好，去掉元器件后焊點(diǎn)是露銅的，而將大一點(diǎn)的元器件去掉后，發(fā)現(xiàn)沉錫焊盤表面還有完好的錫層存在，表明焊料完全未潤(rùn)濕焊盤。因此從裝配后的外觀現(xiàn)象來(lái)看，初步懷疑是焊接時(shí)局部受熱不良而導(dǎo)致的焊接失效。

圖4 回流焊接受熱不良導(dǎo)致的焊接失效圖片

3.1.3 案例三

沉錫PCB焊接后常出現(xiàn)一個(gè)缺陷就是錫面變色。正常的沉錫PCB經(jīng)過(guò)2次無(wú)鉛回流焊接后仍可保持比較正常的亞銀白色或輕微變色，因此如果PCB焊接后出現(xiàn)錫面顏色發(fā)黃、發(fā)紫、發(fā)黑等，多數(shù)是沉錫不良尤其是沉錫后清洗不良引起的（回流焊接溫度過(guò)高也會(huì)引起發(fā)黃變色問(wèn)題）。我們知道沉錫藥水內(nèi)含有甲基磺酸、硫脲等，沉錫后處理清洗時(shí)較難清洗干凈，一旦回流時(shí)受到高溫影響就會(huì)發(fā)生變色，因此為保證沉錫回流不發(fā)生變色，必須確保沉錫后清洗效果。如果想進(jìn)一步確認(rèn)錫面變色的原因，可以采用SEM及EDX等方法做進(jìn)一步的分析確認(rèn)。

3.2 錫層厚度分析

沉錫表面處理完成后錫與銅會(huì)形成銅錫合金（相關(guān)各層顯微組織如圖5[1]所示），且在PCB儲(chǔ)存及老化的的過(guò)程中純錫會(huì)不斷與銅反應(yīng)生成銅錫合金層，使純錫層厚度不斷減少，并最終導(dǎo)致可焊性不良。因此分析錫層厚度對(duì)查找沉錫焊接失效的原因就顯得非常必要了。

圖5 沉錫表面處理金相組織圖（FIB拍攝）

3.2.1 沉錫層厚度分析

沉錫層的厚度對(duì)可焊性有一定的影響，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，32 μm以上的錫厚即可滿足兩次無(wú)鉛回流的可焊性要求。但由于沉錫后錫與銅會(huì)形成薄薄的銅錫合金層，且合金層厚度隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)不斷增厚，有時(shí)甚至可能生長(zhǎng)到表面，引起嚴(yán)重的可焊性問(wèn)題，因此為保證一定的儲(chǔ)存期，一般要求沉錫層厚度控制在36 μm（XRF法測(cè)試）以上。如果錫厚不足，會(huì)導(dǎo)致錫層無(wú)法有效覆蓋銅層，使錫層存在較多孔隙，PCB經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的儲(chǔ)存后，尤其是經(jīng)過(guò)一次回流焊接后，沉錫層多會(huì)發(fā)生變色。從SEM圖片來(lái)看，沉錫后的錫層存在較多孔隙，無(wú)法有效覆蓋銅面，導(dǎo)致回流后焊盤氧化變色。

由于回流焊接過(guò)程中的高溫會(huì)加速純錫層與銅反應(yīng)生成合金層，因此在失效分析時(shí)單純測(cè)試已焊接PCB純錫層的厚度無(wú)法得知焊接前PCB錫厚是否足夠。那么對(duì)于已焊接一次或雙面都已經(jīng)焊接的失效PCB，如何分析其焊接前的錫厚是否滿足要求呢？對(duì)比沉錫厚度測(cè)量的兩種方法即庫(kù)倫法和XRF射線法（見(jiàn)下圖6）我們發(fā)現(xiàn)XRF法在測(cè)試沉錫層厚度時(shí)有一個(gè)特性，即無(wú)論沉錫PCB是否經(jīng)過(guò)回流焊，其錫厚并不隨著回流次數(shù)的變化而變化，因此可利用XRF法測(cè)試回流焊接后失效PCB樣板上未焊接沉錫焊盤的錫厚來(lái)推斷PCB焊接前沉錫層厚度是否足夠。

圖6 XRF及SERA測(cè)試錫厚對(duì)比（不同回流焊接次數(shù)）

3.2.2 純錫層厚度分析

純錫層厚度測(cè)試的目的主要是評(píng)估焊接后剩余純錫層是否能滿足下一次焊接需求。圖9是不同回流峰值溫度及不同回流次數(shù)條件下純錫層厚度變化的對(duì)比圖。從圖7可以看出回流一次后純錫層的消耗最大，且回流峰值溫度越高，剩余純錫層厚度越少，因此如果焊接失效樣品已經(jīng)過(guò)兩次回流焊，那么剩余純錫層厚度一般只剩下0.2 μm左右。但由于沉錫失效多在第二面焊接后才出現(xiàn)，此時(shí)PCB已經(jīng)過(guò)兩次高溫回焊，剩余純錫層厚度已不多，因此此項(xiàng)分析對(duì)于尋找導(dǎo)致焊接失效的原因意義不是非常大，比較適合第一面焊接后即出現(xiàn)焊接不良，判定第二面是否有足夠純錫層用于焊接的情況。

圖7 回流次數(shù)及回流峰值溫度對(duì)純錫層厚度的影響（SERA法測(cè)試）

3.3 金相切片分析

3.3.1 焊點(diǎn)形貌觀察及IMC分析

金相切片分析主要用于焊點(diǎn)內(nèi)部情況的觀察，包括IMC的形成情況，焊料的爬錫情況、潤(rùn)濕角的大小及焊料的結(jié)晶情況等，也是沉錫失效分析中應(yīng)用比較廣泛的一種方法。圖8是采用金相切片法來(lái)判定沉錫焊接失效原因的一個(gè)案例，失效現(xiàn)象表現(xiàn)為元器件引腳焊接不良。從外觀上看，元器件的6只引腳只有一只出現(xiàn)焊接不良。采用切片法對(duì)比元器件兩側(cè)引腳的焊接情況，發(fā)現(xiàn)左側(cè)焊接失效引腳上錫量明顯多于另一側(cè)引腳，但引腳與焊盤接觸位置均有IMC形成，可焊性不良類似于芯吸引起的焊接失效。芯吸現(xiàn)象又稱抽芯現(xiàn)象，表現(xiàn)為焊料脫離焊盤沿引腳上行到引腳與芯片本體之間，會(huì)形成嚴(yán)重的虛焊現(xiàn)象，是PCBA常見(jiàn)焊接缺陷之一，多見(jiàn)于回流焊中。芯吸現(xiàn)象產(chǎn)生的原因通常認(rèn)為是元件引腳的導(dǎo)熱率大，回流焊接時(shí)升溫過(guò)快等導(dǎo)致，以致焊料優(yōu)先潤(rùn)濕引腳。同時(shí)元器件引腳的上翹也會(huì)加劇芯吸效應(yīng)的發(fā)生。解決芯吸問(wèn)題一方面應(yīng)認(rèn)真檢查和保證PCB板焊盤的可焊性，一方面要確保元件引腳的共面性，共面性不良的元器件不應(yīng)用于生產(chǎn)。

圖8 芯吸引起的焊接失效

3.3.2 焊點(diǎn)潤(rùn)濕角分析

潤(rùn)濕角是指被焊物表面與熔融焊錫相互接觸的各接線所包圍的角度，該夾角小于90°時(shí)表示潤(rùn)濕，大于90°表示不潤(rùn)濕[2]或潤(rùn)濕不良（指非阻焊定義焊盤）。潤(rùn)濕角大小是評(píng)估焊盤可焊性的一個(gè)重要指標(biāo)，良好的潤(rùn)濕角度一般在45°±10°左右，角度越小錫膏在焊盤潤(rùn)錫面積越大，鋪展率就越大。下圖9是潤(rùn)濕角測(cè)試方法示意圖[3]，即測(cè)試前在焊盤表面印上錫膏，回流后切片觀察潤(rùn)濕角大小。

圖9 潤(rùn)濕角測(cè)試方法示意圖

圖10所示為沉錫焊接失效的焊點(diǎn)，從切片來(lái)看，焊料與焊盤的潤(rùn)濕角非常大，已接近90°。雖然從切片來(lái)看焊料與焊盤產(chǎn)生了IMC層，但由于焊接過(guò)程中錫膏內(nèi)的松香無(wú)法去除焊盤表面的污染物，導(dǎo)致焊料無(wú)法有效向前爬行。并最終導(dǎo)致焊接不良。

3.4 SEM及EDX分析

SEM（掃描電子顯微鏡）及EDX（能譜分析）可以用于進(jìn)一步確認(rèn)沉錫焊接失效的原因。SEM分析主要是用來(lái)看錫層是否有效覆蓋銅面，沉錫層存在較多孔隙未能起到防止銅面氧化。EDX分析則多用于判定沉錫層是否被污染及污染物來(lái)源。如沉錫焊盤出現(xiàn)黑色污染物，EDX分析顯示，正常焊盤成份只有C、O、Cu、Sn，而被污染焊盤則多了元素Si，對(duì)比阻焊油墨的成分可以知道Si是其特征元素，因此可以判定焊盤污染物為阻焊油墨殘留。

圖10 焊盤潤(rùn)濕不良外觀圖及切片圖

對(duì)于沉錫PCB來(lái)講，由于其表面處理的特殊性，因此無(wú)論是PCB廠還是裝配廠都必須嚴(yán)格控制好儲(chǔ)存及裝配環(huán)境，規(guī)范操作，以防止錫面污染導(dǎo)致的可焊性不良問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

沉錫焊接失效原因分析需要多種方法的綜合運(yùn)用，加上必要的驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)，才能找到導(dǎo)致焊接失效的真因，從而為PCB企業(yè)做好沉錫品質(zhì)控制及改善提供正確的改善方向。

[1]安美特化學(xué)有限公司技術(shù)資料. FIB-Crystal structure of all phase for immersion tin, IPC-610E.

[2]安美特化學(xué)有限公司技術(shù)資料. 化學(xué)浸錫工藝在線路板市場(chǎng)上的發(fā)展及技術(shù)上的應(yīng)用.

李伏，碩士，高級(jí)工程師，主要負(fù)責(zé)PCB產(chǎn)品可靠性評(píng)估及新材料新工藝的可靠性評(píng)估，在PCB產(chǎn)品失效分析尤其是焊接失效分析方面具有較豐富的經(jīng)驗(yàn)；

李斌，中級(jí)工程師，主要負(fù)責(zé)PCB產(chǎn)品性能檢測(cè)及PCB認(rèn)證產(chǎn)品的可靠性評(píng)估。

Soldering failure analysis methods introduction for immersion tin PCB

LI Fu LI Bin GU Xiao-jin

Based on many cases of immersion tin soldering failure cases, the soldering failures causes were analyzed, and a variety of immersion tin PCB soldering failure analysis methods were introduced in detail.

Immersion Tin; PCB; Solderability; Failure Analysis Methods

TN41

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1009-0096（2014）03-0062-05