PCB焊點(diǎn)焊接缺陷原因分析

陳 強(qiáng) 王一雄（深圳市迅捷興電路技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518054）

PCB焊點(diǎn)焊接缺陷原因分析

陳 強(qiáng) 王一雄
（深圳市迅捷興電路技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518054）

PCB焊點(diǎn)焊接缺陷產(chǎn)生的原因可能很多，如果你從擴(kuò)散焊接的特點(diǎn)考慮就會變得明了起來！熔化的焊料原子沿著被焊接金屬的結(jié)晶晶界的擴(kuò)散，擴(kuò)散所需要的激活能也可稱為“表面自由能”比體擴(kuò)散小。一般錫料的活性能約為380達(dá)因/厘米，鮮活的銅面在助焊劑的輔助下約為1265達(dá)因/厘米，所以焊接可以良好進(jìn)行。

合金共化物；表面自由能；鎳層腐蝕；共晶錫；硫化銀膜

1 前言

焊接是指被焊接的兩個物件，通過加熱或加壓使兩個相同材質(zhì)的物體或不同材質(zhì)的物體達(dá)到原子間的結(jié)合，而形成永久性連接的工藝過程稱之為焊接。

焊接過程中，物體與焊料熔化形成熔融區(qū)域，焊料冷卻凝固后便形成材料之間的連接。這一過程中，通常還需要施加壓力。焊接的能量來源有很多種，包括氣體焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波等?，F(xiàn)代焊接技術(shù)出現(xiàn)在19世紀(jì)末，先是弧焊和氧燃?xì)夂福院蟪霈F(xiàn)了電阻焊。20世紀(jì)早期，對軍用器材廉價可靠的連接方法需求極大，促進(jìn)了焊接技術(shù)的發(fā)展，同時期印制電路板（PCB）也在美國應(yīng)運(yùn)而生，焊接技術(shù)也被應(yīng)用于PCB與元器件的焊接， SMD與SMT的誕生使得PCB焊接更加簡易。目前電子元器件的焊接主要采用的是SMT。在一定的溫度下使焊料溶化，金屬焊件與錫原子相互吸引、擴(kuò)散、結(jié)合，形成浸潤結(jié)合層把元器件與PCB牢固的連接在一起，而且具有良好的導(dǎo)電性能。

鮮活的銅面焊接效果較好但存放時間較短，焊接后銅面與焊料錫界面合金共化物（IMC）增長較快，嚴(yán)重影響焊點(diǎn)可靠性！各種PCB表面處理方式都只有一個目的，提升或保證焊接后焊點(diǎn)可靠性！

2 行業(yè)現(xiàn)況

目前行業(yè)內(nèi)針對于焊接的PCB表面處理方式主要有（1）熱風(fēng)焊料整平（Hot-air solder leveling簡稱HASL）；（2）有機(jī)可焊性保護(hù)膜（Organic SolderabilityPreservatives的簡稱OSP）；（3）化學(xué)鎳金（Electroless Nickel/Immersion Gold簡稱ENIG）；（4）化學(xué)沉銀（Immersion silver簡稱ImAg）；（5）化學(xué)沉錫（Immersion tin簡稱ImSn）；（6）電鍍鎳金；（7）化學(xué)鎳鈀金；（8）電鍍銀表面處理等八種表面處理方式。不過電鍍鎳金、鎳鈀金與電鍍銀表面處理基本使用在打線工藝，很少使用在焊接工藝中，電鍍銀工藝更加少見，所以接下來將前五種可以焊接的PCB表面處理方式的焊接缺陷一 一列舉。

3 原因分析

3.1 HASL表面工藝

HASL是在PCB表面涂覆熔融焊料并用加熱壓縮空氣吹平的工藝，使其形成一層抗銅氧化和良好可焊性的涂覆層。熱風(fēng)整平時焊料和銅在結(jié)合處形成銅錫金屬共化物，其表面焊料涂覆的厚度大約有1 μm ～ 25 μm。PCB進(jìn)行熱風(fēng)整平時要浸在熔融的焊料中，風(fēng)刀在焊料凝固之前吹平液態(tài)焊料，并能夠?qū)~面上焊料的彎月狀最小化和阻止焊料橋接。熱風(fēng)整平分為垂直式和水平式，一般認(rèn)為水平式較好，主要是水平式熱風(fēng)整平鍍層比較均勻，可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

HASL焊接焊點(diǎn)缺陷原因分析： HASL表面處理分為兩種有鉛與無鉛處理，SMT與無鉛HASL生產(chǎn)同屬高溫環(huán)境，爆板、掉阻焊橋、阻焊層起泡這些也都是嚴(yán)重的問題！焊料料中沒有了Pb元素，焊點(diǎn)上的CuSn共化物生長顯得更加明顯。這只有通過控制HASL表面處理厚度來盡量改善，正常環(huán)境下CuSn的合金共化物的速度生長為1.4～10 nm/s，1 μm ～ 2 μm的錫厚CuSn合金共化物將會輕而易舉的突破，致使合金共化物暴露于焊點(diǎn)表層，進(jìn)而影響到焊點(diǎn)的上錫質(zhì)量，而多數(shù)會出現(xiàn)拒錫或稱為縮錫現(xiàn)象。一般CuSn合金層以Cu6Sn5與Cu3Sn為主（如圖1所示），合金共化物的厚度大約在1 μm ～ 1.5 μm，所以一般都會建議HASL表面處理的厚度控制在2.5 μm以上。

圖1 合金共化物金相圖

可以滿足焊錫需求的元素包括，錫（Sn）、銅（Cu）、銀（Ag）和銻（Sb）?；旌显谶@些替代合金內(nèi)的所有這些元素具有與錫-鉛焊料不同的熔點(diǎn)、機(jī)械性能、溶濕特性和外觀（表1）?，F(xiàn)在工業(yè)趨向于使用接近共晶的錫銀銅合金。但是幾乎所有的無鉛焊錫都比錫/鉛共晶的潤濕性差，易引起焊腳上錫不良。為了改善潤濕性能，必須要求特別的助焊劑配方。

表1 無鉛焊料對比

3.2 OSP表面工藝

OSP是在銅和空氣間充當(dāng)阻隔層； 簡單地說，OSP就是在潔凈的裸銅表面上，以化學(xué)的方法生成一層有機(jī)薄膜。這層膜具有防氧化，耐熱沖擊，耐濕性，用以保護(hù)銅表面于常態(tài)環(huán)境中不再繼續(xù)生銹（氧化或硫化等），同時又必須在后續(xù)的焊接高溫中，能很容易被助焊劑迅速清除以便焊接。有機(jī)涂覆工藝簡單，成本低廉，使得其在業(yè)界被廣泛使用。OSP 有三大類型：松香樹脂類（Rosin）、活化樹脂類（Active Resin）和唑類（Azole）。目前使用最廣的是唑類OSP。唑類OSP 已經(jīng)經(jīng)過了約五代的改善，最新的分子主要是苯并咪唑。為了保證可以進(jìn)行多次回流焊，銅面上只有一層有機(jī)涂覆層是不行的，必須有很多層，這就是為什么化學(xué)槽中通常需要添加銅液。在涂覆第一層之后，涂覆層吸附銅，接著第二層的有機(jī)涂覆分子與銅結(jié)合，直至二十甚至上百次的有機(jī)涂覆分子集結(jié)在銅面一般膜厚控制在0.2 μm ～ 0.5 μm為宜。

OSP 具備許多好處，例如平整面好，和焊盤的銅之間沒有IMC 形成，允許焊接時焊料和銅直接焊接（潤濕性好），低溫的加工工藝，成本低，加工時的能源使用少等等。OSP工藝的不足之處是所形成的保護(hù)膜極薄，易于劃傷（或擦傷）。同時，經(jīng)過多次高溫焊接過程的OSP膜（指未焊接的連接盤上OSP膜）會發(fā)生變色或裂縫，影響可焊性和可靠性。焊接時無法被助焊劑所溶解有雜質(zhì)殘留于銅面導(dǎo)致銅面“表面自由能”（Surface Free Energy簡稱Free）小于焊料本身，在焊接時出現(xiàn)不上錫或縮錫現(xiàn)象。

3.3 ENIG表面工藝

ENIG是在銅面上形成一層Ni與Au層，電性能良好的鎳、金層并可以長期保護(hù)PCB。

它也具有其它表面處理工藝所不具備的對環(huán)境的忍耐性。鍍鎳的原因是由于金和銅之間會相互擴(kuò)散，而鎳層可以阻止其之間的擴(kuò)散，如果沒有鎳層的阻隔，較薄的Au層將會在數(shù)小時內(nèi)擴(kuò)散到銅中去?；瘜W(xué)鍍鎳/浸金的另一個好處是鎳的強(qiáng)度，僅僅5 μm厚度的鎳就可以控制高溫下Z方向的膨脹。此外化學(xué)鍍鎳/浸金也可以阻止銅的溶解，這將有益于無鉛焊接。

ENIG焊接焊點(diǎn)缺陷原因分析：化學(xué)鍍鎳浸金工藝中Au層的主要作用是起到Ni層保護(hù)作用，焊接的過程中，被焊接的板面Au層的Au原子以每秒40 nm的速度流入焊料中露出鎳層進(jìn)行合金，如果Au層過厚Au層擴(kuò)散所需要的熱能較大，正常的條件生產(chǎn)時可能Au層無法迅速擴(kuò)散將阻礙合金的進(jìn)行，從而導(dǎo)致上錫不良！一般來說Au層的厚度應(yīng)該控制在1 μm ～ 3 μm。只是單純的焊接需要時金層較薄較厚都不宜，Au層過薄時Au層的分布較為稀疏晶格間隙較大空位較多，使Ni層大面積的暴露在空氣中極易出現(xiàn)性氧化或腐蝕，鎳層一旦發(fā)生質(zhì)變那么焊接肯定是不理想的！

近期作者處理了一起因鎳層質(zhì)變引起的焊接焊點(diǎn)可靠性不良問題，其原因是因為PCB板在成品銑外形后板面與板邊留有PP粉塵需要清洗，清洗時我們一般都會在成品清洗線的第一段加入1%～3%濃度的檸檬酸，以增強(qiáng)清洗效果！在經(jīng)過后續(xù)的多段水洗將其去除，已達(dá)到板面的雜質(zhì)徹底清除又不會留有檸檬酸的成份！但是就這樣在我們看來非常合理的做法出了問題，清洗過后經(jīng)過電測或直接送往FQC檢查時發(fā)現(xiàn)，送到接受工序的板子在2 h ～ 4 h后分別出現(xiàn)不同程度的金面氧化的痕跡（如圖2所示），不僅如此！還有一些已經(jīng)送出的客戶手里的板面也有嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，客戶將其正常上件出現(xiàn)了錫面發(fā)黑、上錫不飽滿、縮錫、虛焊等問題。

圖2 金面氧化

后帶著問題現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)，由于前期在產(chǎn)線整改時設(shè)備進(jìn)行搬遷，設(shè)備的放、接板口增加了送風(fēng)口，這就是帶來上述一系列問題的原因！Au元素向來以穩(wěn)定著稱，這說明我們看到的氧化物存在于鎳層，經(jīng)過對鎳層的SEM分析也證實了這點(diǎn)（圖3），鎳層出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象！我們對不良板也進(jìn)行元素分析發(fā)現(xiàn)，板面殘留有Cl元素（圖4），這就使得檸檬酸對鎳層的腐蝕效果更加明顯！想想上述的設(shè)備改造，設(shè)備有兩個放板口，問題就在錫板放置口處！由于前期環(huán)境改造在成品清洗機(jī)錫板放置口處加了送風(fēng)管，致使經(jīng)過此段的金板表面殘留的酸滲透于鎳層，在風(fēng)口大量的送空氣與板面時，使得大量氧元素參與加速了檸檬酸與鎳反應(yīng)，后段的水洗無法將其徹底清洗使其殘留于金面造成金面氧化的假象！

對此問題的解決方法是在錫板口過后的第一段水洗添加微量（1%～3%比例）的氨水，使板面殘留的酸可以被中和清洗掉；此做法使得問題徹底得到改善。

圖3 SEM鎳層腐蝕

圖4 元素分析結(jié)果

3.4 ImAg表面工藝

ImAg工藝較簡單、快速。因為銀層下面沒有鎳，所以浸銀不具備化學(xué)鍍鎳/浸金所有的好的物理強(qiáng)度。浸銀是置換反應(yīng)，它幾乎是亞微米級的純銀涂覆，厚度一般控制在4 μ'' ～ 12 μ''。有時浸銀過程中還包含一些有機(jī)物，主要是防止銀腐蝕和消除銀遷移問題，一般很難量測出來這一薄層的有機(jī)物，分析表明有機(jī)體的重量少于1%。

ImAg焊接焊點(diǎn)缺陷原因分析：ImAg表面處理工藝PCB在焊接中表面Ag一般很少參與焊接，通常焊點(diǎn)形成的IMC多為Cu6Sn5。以此來看Ag層基本只起保護(hù)作用，保護(hù)Cu銅面不被氧化！根據(jù)無鉛焊料的性能對比來看，在CuSn的焊料中加入少量的Ag對焊點(diǎn)的強(qiáng)度提升較大，又可以有效的遏制IMC的產(chǎn)生使焊點(diǎn)的使用壽命同時得以提升。

但是Ag面會與空氣中的硫發(fā)生反應(yīng)，在表面生成一層黃色的硫化銀膜。銀被硫污染有幾個途徑，空氣或其他污染源，如PCB包裝紙。銀與氧的反應(yīng)通常是氧和銀層下的銅發(fā)生反應(yīng)，生成深褐色的氧化亞銅。這種缺陷通常是因為沉銀速度非?？?，形成低密度的沉銀層，使得銀層底部的銅容易與空氣接觸，因此銅就會和空氣中的氧產(chǎn)生反應(yīng)。無論是硫化銀膜還是氧化亞銅勢必都會降低焊接時Ag層表面的活性能，阻礙Ag層的良好擴(kuò)散，使焊點(diǎn)出現(xiàn)縮錫與不上錫問題。建議加厚銀層來到達(dá)有效的抗氧化作用。這意味著要沉積更厚的銀層從而增加了生產(chǎn)成本，也增加了可焊性問題出現(xiàn)的機(jī)率，如賈凡寧效應(yīng)與Kirkenall空洞不良問題?？斩次挥诤噶虾秃附用嬷g的金屬界面化合物之上的空洞被稱為克氏空孔（圖5），實際上是焊接面的“平面空泡群”，所以極大的減小了焊接結(jié)合力。OSP、ENIG以及沉銀表面都會出現(xiàn)。盡管沉銀層的所有微空洞都發(fā)生在厚銀（厚度超過15 μm）表面，但并非所有的厚銀層都會發(fā)生微空洞。可以通過控制微蝕的速率與沉銀的速率改善空洞問題。

圖5 金屬界面化合物間的空洞

3.5 ImSn表面工藝

目前所有焊料是以錫為基礎(chǔ)的，從這一點(diǎn)來看浸錫工藝極具發(fā)展前景。但PCB浸錫工藝后易出現(xiàn)錫須，在焊接過程中錫須和錫遷移會帶來可靠性問題，因此限制了浸錫工藝的采用。后在浸錫溶液中加入了有機(jī)添加劑，使錫層結(jié)構(gòu)呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，克服了之前的問題，而且還具有良好的熱穩(wěn)定性和可焊性。浸錫工藝可以形成平坦的銅錫金屬間化合物，只是浸錫板不可以存儲太久，

ImSn焊接焊點(diǎn)缺陷分析：對比之下（圖6）ImSn以平坦的表面焊墊、較低的生產(chǎn)溫度（50 ℃ ～70 ℃）顯得更加優(yōu)越HASL，但I(xiàn)mSn的厚度較薄一般為0.8 μm ～ 1.5 μm這使得IMC的增長更加容易，尤其在高溫焊接時易出現(xiàn)上錫不良，隨然在表面上使用了有機(jī)金屬保護(hù)膜可以有效的抑制在高溫焊接時IMC的快速生長，但I(xiàn)mSn板的存放時間與溫濕度還是需要謹(jǐn)慎管控！

圖6 HASL左與ImSn右焊墊表面

4 總結(jié)

隨著PCB百年來的發(fā)展，誕生了諸多的表面工藝，其最終的目的就一點(diǎn)，使元器件在良好的電性能下焊點(diǎn)更加可靠！這也一直是從事于PCB表面工藝研發(fā)人員的心愿！

上述已大致描述了PCB焊接焊點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的原因，可能有人還會認(rèn)為不夠充分！比如PCB表面污染都沒有列入原因分析，我個人認(rèn)為重重原因最終導(dǎo)致PCB焊接焊點(diǎn)存在缺陷的只有一點(diǎn)，即被焊接的金屬表面活性能小于焊錫焊料的表面活性能而出現(xiàn)焊接缺陷！

[1]李曉延, 嚴(yán)永長, 史耀武. 金屬界面化合物對SnAgCu/Cu界面破壞行為的影響.

陳強(qiáng)，研發(fā)部工程師，從事多年工藝技術(shù)與研發(fā)工作。

PCB solder welding defect cause analysis

CHEN Qiang WANG Yi-xiong

There may be a lot causes of PCB solder welding defects. However if you consider from the characteristics of diffusion welding, it will become clear! The crystallization of molten solder atoms spreads along the weld metal grain boundary diffusion. The spreading needed to activate can also be referred to as the Surface Free Energy than the body of the diffusion. The activity of general tin material can be approximately 380 dyne/cm, and lively copper surface under the auxiliary of flux is about 1265 dyne/cm, so welding can be performed well.

Alloy Compound; Surface Free Energy. Nickel Layer Corrosion; Eutectic Solder; Silver Sulfide Film

TN41

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1009-0096（2014）03-0067-04