一種基于焊點形態(tài)的可焊性分析方法

張智暢

（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510063）

1 前言

微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，芯片封裝的不斷小型化，不僅促進了印制電路板朝高密度、多層化方向發(fā)展，同時還對印制電路板的可焊性等工藝提出了更嚴格的要求。[1]所謂可焊性就是“金屬表面被焊料潤濕的性質”。而潤濕是指焊料能在金屬表面形成一層相對均勻、平滑、連續(xù)的附著薄膜的過程?？珊感詼y量就是對焊料的潤濕金屬表面的程度和達到該程度所需時間的測定。[2]

對于未組裝的PCB表面貼裝焊盤，其可焊性測試最常使用的兩種測試方法有邊緣浸焊測試（浸錫測試）和潤濕稱量測試（潤濕天平測試）[3]。而對于組裝后的可焊性分析，一般的是采用微切片法去觀察焊接界面IMC的形成情況以及焊料潤濕的角度加以評判。各種方法各有局限，對比如下：

對比發(fā)現現有的可焊性分析方法的對于組裝過程中的可焊性評判標準都相對較為薄弱，另外，以上都是一類對樣品進行直接破壞的方法，在一些失效樣品較少的情況下便顯得不太適用。

此時，所需要的就是一種能夠全面、直觀反映試樣可焊性特征狀態(tài)的觀察分析方法。

2 實驗部分

2.1 實驗背景

在可焊性失效分析處理過程中，通過掃描電鏡背散射電子圖像對潤濕不良（不充分）焊盤進行分析時，可在焊料潤濕邊界處可觀察到一條帶狀區(qū)域。對此，經過大量觀察分析發(fā)現此帶狀區(qū)域是焊料在焊盤表面潤濕焊接界面反應的起始位置，因而其形態(tài)隨著焊接條件以及焊盤的狀態(tài)變化而變化，由此稱此帶狀區(qū)域為潤濕過渡層。接下來便圍繞著焊點的潤濕過渡層形態(tài)分析展開實驗。

2.2 潤濕過渡層的提出

為了獲取可焊性良好焊面下潤濕過渡層形態(tài)信息，我們通過較小開窗的鋼網對較大焊盤印刷錫膏，然后進行回流的方式，得到一系列焊面不完全潤濕的情況，最終將試樣焊點殘留助焊劑清洗后通過掃描電鏡對潤濕過渡層進行了形態(tài)及元素分布的分析。

以下為水金表面處理試樣采用SAC305錫膏，經峰值溫度為235 ℃的回流焊接后金面未完全潤濕的情況下，焊料鋪展邊界處的背散射電子圖像見圖1。

圖1 焊料鋪展邊界形貌

由圖1中的整體形貌可以明顯觀察到，在焊料與未潤濕金面邊界處存在一條帶狀區(qū)域，即潤濕過渡層。放大后可觀察到其是由兩層粒度不同的結構組成，粒度沿著焊料潤濕鋪展的方向逐漸變小，推斷可能是鋪展?jié)櫇竦膭討B(tài)過程造成這種形態(tài)。為此，我們使用EDS的線掃描元素分析功能對潤濕過渡層進行了分析，以獲得沿著焊料潤濕鋪展的線性方向上的元素分布情況，以此來對鋪展?jié)櫇竦膭討B(tài)過程進行分析見圖2。

圖2 線掃描元素分析

如圖3所示，為線掃描分析結果，圖中分別展示了主要元素Ni、Sn、Au從焊料區(qū)域經過鋪展邊界處到金面線性區(qū)域的元素分布情況。從結果來看，Au（金）元素整體分布較為均勻；Ni（鎳）元素比例由焊料到金面逐漸增加而Sn（錫）元素逐漸減小，兩者在靠近焊料一側含量比例較為接近。

為了對以上現象進行理論解釋，此處引入了潤濕過程模型作為過程分析依據。

圖3 潤濕過程模型[6]

對于各種表面處理焊面的潤濕焊接過程均可以通過圖3所示模型進行描述。潤濕焊接過程最核心的就是兩個界面反應過程：保護性鍍層的溶出以及焊接基底的界面擴散。[6]由于潤濕是實現焊接的基礎，只有當焊料能夠充分潤濕焊接面才有可能實現良好的焊接，因而一定程度上可以說保護性鍍層的溶出以及焊接基底的界面擴散兩個過程的難易程度決定了最終焊面的可焊性以及焊接的效果。

結合上述模型，不難看出作為最為關鍵的“兩個過程”，其最主要發(fā)生在焊料潤濕焊盤的最前端，也就是潤濕過渡層：

在靠近金面一側帶狀區(qū)域其元素含量比例與金面較接近，應為金擴散層，即保護性鍍層的溶出過程的體現；

而在靠近焊料一側的帶狀區(qū)域，由于前面Au保護層的溶出，Ni基底與焊料接觸，IMC由此處開始形成生長，因而形貌粒度較大，為鎳擴散層，即焊接基底的界面反應的體現。

綜上，潤濕過渡層作為保護性鍍層的溶出以及焊接基底的界面擴散過程的集中體現，兩個過程對可焊性影響重大，因而潤濕過渡層形態(tài)充分反映了以上過程的進行狀態(tài)，因而一定程度上我們可以通過對潤濕過渡層的形態(tài)觀察來對被焊面保護性鍍層的溶出以及界面擴散過程所形成的IMC形態(tài)來對可焊性進行焊接后的評估。

2.3 不同條件下潤濕過渡層形態(tài)的差異分析

2.3.1 焊接溫度影響

為了考察焊接溫度條件對潤濕過渡層形成形態(tài)的影響，將同樣的試樣進行不同回流溫度的焊接后觀察其潤濕過渡層的形態(tài)情況。由于焊料本身的熔點的限制，其在不同溫度下所表現出來的黏度、表面張力等不同，從而影響到其對焊面的潤濕作用。

實驗一共進行了225 ℃、235 ℃以及245 ℃三種不同峰值溫度條件的回流焊接，其潤濕過渡層形態(tài)如圖4所示。在所測試的溫度條件范圍內，隨著溫度的升高，潤濕過渡層寬度逐漸增加：

圖4 回流峰值溫度對潤濕過渡層形態(tài)的影響

在235 ℃以下溫度的提升寬度增加幅度較大，而在235 ℃以上溫度提升后寬度未出現明顯變化。說明在焊接面可焊性一致的情況下，溫度升高帶來的焊料潤濕能力提升是有一定限度的；

在對比各溫度條件潤濕過渡層寬度的同時，我們也將各溫度條件下標準試片的潤濕力測試數據引入進行對應，發(fā)現潤濕力變化幅度和趨勢與潤濕過渡層寬度能形成較好對應。從側面說明潤濕過渡層的寬度一定程度上反應了焊面焊接時潤濕力的大??；

各溫度條件下，潤濕過渡層形成均能保持均勻且連續(xù)的形態(tài)，說明焊面各處潤濕均勻；

總的來說，溫度的影響主要體現在潤濕過渡層的尺寸上，溫度越高焊接界面反應的強度越大，IMC大量形成，因而其尺寸越寬，所表現出來的潤濕力越大。

2.3.2 可焊性影響

為了考察焊面可焊性狀態(tài)對潤濕過渡層形成形態(tài)的影響，我們將試樣進行不同程度老化處理獲得不同可焊性狀態(tài)的試樣后再印刷錫膏過爐（回流峰溫235 ℃），之后使用相同的方法對比觀察其潤濕過渡層的形態(tài)變化：

實驗一共進行了1至3次回流以及150 ℃烘烤9 h四種不同程度的老化條件，其潤濕過渡層形態(tài)如圖5所示。在經過老化后，潤濕過渡層開始出現不連續(xù)性的情況，且寬度也有一定程度的減?。?/p>

在回流老化的情況下，隨著回流次數的增加，潤濕過渡層寬度減小并呈現梯度變化，變化趨勢同樣保持與其潤濕力測試數據變化情況基本一致，說明即使是在焊面可焊性發(fā)生變化時，潤濕過渡層寬度的變化同樣能夠較好定量反應潤濕力的變化；

細節(jié)形態(tài)上，寬度的減小主要體現在鎳擴散層（靠近焊料一側）寬度的減少上，體現了水金由于鎳氧化導致可焊性失效的機理；

進一步觀察分析，出現的不連續(xù)、不均勻情況主要是由于存在局部的點或面潤濕不良導致焊料不能均勻鋪展導致的；

對比兩種不同老化處理條件（回流和烘烤）：回流老化條件導致的局部潤濕不良的點或面明顯多于烘烤條件，這是由于回流老化條件最高溫度雖高于烘烤條件，但其作用時間較短（一般峰溫持續(xù)時間不超過2分鐘）。結合水金表面處理老化的可焊性失效機理，最先受到高溫老化影響的位置為金面的薄弱位置，如孔隙、局部薄金處等。這些位置焊接基底鎳層受到直接氧化或者擴散進入金層后氧化的風險更大。而在烘烤這樣長時間的高溫老化條件積累下，整個面的氧化情況趨于一致，因而其潤濕過渡層寬度比較均勻且整體減?。?/p>

總的來說，可焊性的影響主要體現在潤濕過渡層的連續(xù)與均勻性上，隨著老化程度的加深，焊面局部位置的可焊、可潤濕性差異增大，導致潤濕過程不連續(xù)，總體潤濕力減小，因而潤濕過渡層變得不連續(xù)，且寬度減小。

2.3.3 不同表面處理影響

以上都是基于水金表面處理進行的分析，為了驗證潤濕過渡層形態(tài)分析方法的普遍適用性，我們將實驗范圍擴展到了其他常見表面處理。

圖5 不同可焊性情況對潤濕過渡層形態(tài)的影響

圖6 各常見表面處理潤濕過渡層形態(tài)

如圖6所示，實驗對沉金、沉銀、OSP以及沉錫四種較為常見的表面處理進行了不同條件下的潤濕過渡層形態(tài)分析：

沉錫觀察不到明顯的潤濕過渡層。這是由于其本身鍍（涂）層均為錫，在其焊接過程中鍍層的溶出以及焊料的鋪展過程被錫的融合過程所替代，并且即使是在焊料未覆蓋的位置，只要能達到一定的溫度錫鍍層與焊接銅基底間也會進行相互擴散形成合金，因而無法觀察到潤濕過渡層；

在相同的235 ℃回流峰溫條件下，不同表面處理潤濕過渡層寬度存在較大差異，寬度尺寸的變化基本與潤濕力情況一致：沉金優(yōu)于沉銀優(yōu)于OSP；

在進行了相同150 ℃ 9 h烘烤條件的老化后，潤濕過渡層均出現了不同程度寬度的減少和不連續(xù)情況，其變化程度視表面處理的耐老化能力而異：沉銀優(yōu)于沉金優(yōu)于OSP。

以上可以發(fā)現潤濕力與潤濕過渡層寬度的對應需要按照表面處理進行區(qū)分。

綜上，對于沉金、OSP、沉銀等可以觀察到潤濕過渡層形態(tài)的表面處理，雖然由于鍍層差異導致了潤濕過渡層的形態(tài)差異，但是其在可焊性減弱時形態(tài)均由連續(xù)變的不連續(xù)，寬度變小，且變化與潤濕力同樣能形成較好對應。說明潤濕過渡層形態(tài)分析方法是具備一定普遍意義的。

2.4 實例驗證

未了驗證基于潤濕過渡層形態(tài)分析的可焊性鑒別方法的正確性、實用性，我們將以上方法引入到一些已定結論的失效分析中作為驗證：

案例一：A板為水金板，第一面貼裝時上錫良好，而第二面貼裝時個別焊盤出現上錫不良的情況，不良比率為70%。造成此板不良的原因是由于錫膏印刷存在漏印或堵鋼網情況，個別焊盤錫膏量不足導致了表觀的可焊性不良，而PCB本身可焊性良好。

案例二：B板為水金板，回流焊后焊盤邊緣潤濕不良，第一面貼裝情況輕微，而第二面時不良情況加劇，不良比率為100%。此板為存放一年后進行的焊接，焊盤存在較嚴重氧化導致了失效。

如圖7所示為以上所提及的兩個已定失效結論的案例圖片。從兩者的不良外觀上來看，兩者并不存在較為明顯的不同，均是存在焊盤邊緣不潤濕的情況。但是通過潤濕過渡層的形態(tài)來看，兩者是迥然不同的：A板潤濕過渡層的形態(tài)連續(xù)且均勻，而B板較極度不均勻，反映出A板在焊接前的可焊性良好而B板可焊性較差。這與之前的分析結論向印證，反映了基于潤濕過渡層形態(tài)分析的可焊性鑒別方法的正確性，同時其分析過程也相對簡單。

3 總結

總的來說，基于潤濕過渡層形態(tài)的可焊性分析評估可以圍繞以下幾個方面展開：

潤濕過渡層的寬度反映的是在一定焊接條件下，焊料與焊接面的潤濕作用的強弱：寬度越大越強烈，潤濕力越大，可焊性越好，具體尺寸應視具體焊接條件以及鍍層厚度差異而變化，判斷時下限可參考表1。

可焊性良好的焊面，其潤濕過渡層形成連續(xù)且均勻；可焊性較差的焊面，其潤濕過渡層不連續(xù)且局部尺寸差異較大，焊料鋪展方向上會存在一定局部的點或面潤濕不良的情況。

綜上，潤濕過渡層作為潤濕焊接作用承前啟后的關鍵部位，各種因素對焊接效果帶來的影響都會在其形態(tài)的細節(jié)情況上得到體現，其所包含的信息不僅能夠直接、全面地體現焊點IMC形成情況，也能從尺寸上較為定量的反映焊面在組裝過程中的潤濕力大小。而在實際分析過程中，其可操作性、樣品的較小破壞性以及分析的簡便性都是已有可焊性分析方法無法比擬的。

圖7 案例

表1

[1]董麗玲, 賈燕.印制電路板的可焊性測試與評價[J].印制電路信息, 2010, 11.

[2]姚志剛.焊接性能的考核方法[J]. 半導體技術.1984,1.

[3]IPC J-Std-003 印制板可焊性測試方法.

[4]林玲. 潤濕稱量法可焊性試驗[J]. 海峽科學, 2007,6.

[5]陳培良.印制板可焊性測試方法的比較[J]. 會議論文, 2008.

[6]張智暢, 胡夢海, 陳蓓.不同表面處理潤濕機理研究[J]. 印制電路信息, 2013增刊.