印制電路板焊錫金不熔的失效分析及改善

邱成偉 劉新發(fā) 趙 強(qiáng)

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 519029）

0 前言

我公司一款硬盤儲(chǔ)存類印制電路板在客戶端組裝生產(chǎn)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的上錫不良，局部存在明顯現(xiàn)象，其表現(xiàn)的最明顯特征為“金不熔”。我司對(duì)客戶端出現(xiàn)的上錫不良板取5塊以及同周期的未進(jìn)行焊接的印制電路板同樣取5塊進(jìn)行分析，其中分析手段包括：（1）外觀檢查；（2）掃描電子顯微鏡和能譜元素探測(cè)儀對(duì)已焊接失效和未焊接的印制電路板表面進(jìn)行分析；（3）剖面微切片做金相顯微鏡分析；（4）未焊接的光板分析、（5）AES（俄歇電子能譜）元素分析；（6）不良焊盤上錫性分析；（7）未焊接光板上錫性分析；（8）改善研究；（9）封孔劑對(duì)可焊性的影響；（10）金層對(duì)可焊性的影響。

1 外觀檢查

利用金相顯微鏡，對(duì)焊錫不良位置進(jìn)行外觀檢查，結(jié)果如圖1所示，已焊接不良的印制電路板多處焊盤位置明顯發(fā)現(xiàn)上錫不良現(xiàn)象，表現(xiàn)為焊盤潤濕不良、焊盤露金異常。

圖1 焊盤潤濕不良

2 表面分析

為了確認(rèn)不良焊盤表面是否存在異常元素及觀察潤濕不良位置形貌及成分，對(duì)不良焊盤清洗后（酒精+超聲波）進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如圖2、表1所示。

圖2 潤濕不良位置形貌

表1 不良焊盤表面成分

3 剖面分析

為了觀察上錫不良焊盤截面形貌，對(duì)上錫不良焊盤進(jìn)行剖面分析，結(jié)果如圖3、表2所示，上錫不良位置表面平整，未發(fā)現(xiàn)明顯焊錫殘留，與表面觀察結(jié)果一致。鍍層放大倍數(shù)觀察后未發(fā)現(xiàn)有明顯的鎳腐蝕現(xiàn)象，即可排除鎳層腐蝕對(duì)焊盤上錫不良的影響。

表2 不良焊盤剖面成分

圖3 不良焊盤剖面觀察

4 未焊接印制電路板光板分析

4.1 焊盤表面及剖面分析

為了確認(rèn)未焊接的印制電路板光板鍍層是否存在異常，對(duì)未焊接的印制電路板焊盤進(jìn)行表面分析及剖面分析，結(jié)果：

（1）表面分析：如圖4所示，未焊接的印制電路板焊盤表面形貌未見明顯污染和鎳腐蝕現(xiàn)象；如表3能譜元素EDS分析，焊盤表面含有碳、氧、磷、金、鎳元素，未發(fā)現(xiàn)有異常元素存在。

圖4 表面分析圖

（2）剖面分析：如圖5所示，未焊接印制電路板光板焊盤切片后，局部位置存在輕微鎳腐蝕現(xiàn)象，但此現(xiàn)象并不能導(dǎo)致焊盤出現(xiàn)大面積金不熔的現(xiàn)象。能譜EDS元素顯示鎳層磷含量為9%～9.5%之間，屬于正常范圍。能譜元素EDS如表3所示。

表3 未焊接焊盤成分（%）

圖5 剖面分析圖

4.2 焊盤金厚測(cè)量

焊盤縮錫區(qū)域的化學(xué)成分無明顯異常，未發(fā)現(xiàn)外來元素。剝離金層后鎳面結(jié)晶正常，鎳層中磷含量滿足規(guī)范，無鎳面腐蝕的現(xiàn)象。后對(duì)縮錫部位焊盤清洗后焊料仍無法潤濕。綜合分析，懷疑金層本身存在問題，同時(shí)如表4、表5所示，金厚已低于0.025 μm。

表4 已焊接不良板的未焊接焊盤金厚測(cè)量數(shù)據(jù)（μm）

表5 未焊接板的焊盤金厚測(cè)量數(shù)據(jù)（μm）

4.3 俄歇電子能譜定性定量分析

由于懷疑金層本身存在問題，因此需要使用了一種淺表分析方法 AES（俄歇電子能譜），俄歇電子能譜技術(shù)（Auger Electron Spectroscopy，AES），通過俄歇電子的能譜檢測(cè)和數(shù)量來進(jìn)行定性定量分析。AES應(yīng)用于鑒定樣品表面的化學(xué)性質(zhì)及組成的分析，其特點(diǎn)在俄歇電子對(duì)極表面甚至單個(gè)原子層，僅帶出表面的化學(xué)信息，具有分析區(qū)域小、分析深度淺和不破壞樣品的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于材料分析以及催化、吸附、腐蝕、磨損等方面的研究。

（1）俄歇電子能譜分析（AES）。

①當(dāng)產(chǎn)品表面存在微小的異物，而常規(guī)的成分測(cè)試方法無法準(zhǔn)確對(duì)異物進(jìn)行定性定量分析，可選擇AES進(jìn)行分析，AES能分析≥20 nm直徑的異物成分，且異物的厚度不受限制（能達(dá)到單個(gè)原子層厚度，0.5 nm）；②當(dāng)產(chǎn)品表面膜層太薄，無法使用常規(guī)測(cè)試進(jìn)行厚度測(cè)量，可選擇AES進(jìn)行分析，利用AES的深度濺射功能測(cè)試≥3 nm膜厚厚度；③當(dāng)產(chǎn)品表面有多層薄膜，需測(cè)量各層膜厚及成分，利用D-SIMS（動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜）結(jié)合AES能準(zhǔn)確測(cè)定各層薄膜厚度及組成成分。

（2）為了確認(rèn)上錫不良焊盤及未焊接的印制電路板光板焊盤的表面成分狀況

現(xiàn)通過AES對(duì)上錫不良焊盤（酒精+超聲波清洗后）、未焊接印制電路板光板進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6、表6、表7所示，濺射深度參照硅片濺射速度進(jìn)行計(jì)算得出。

表6 焊接不良板焊盤表面清洗后AES測(cè)試結(jié)果(At.%)

表7 未焊接板焊盤表面AES測(cè)試結(jié)果(At.%)

圖6 AES分析圖

（3）上錫不良焊盤深度0～9.6 nm范圍，主要含有較高的碳、氧、鎳元素；深度19.2 nm，探測(cè)到金元素，隨著深度的增加，金元素又逐漸降低。

以上規(guī)律說明，金層內(nèi)部已經(jīng)存在較高含量的鎳，高鎳的存在影響了金層化學(xué)特性。金鎳互溶的直接影響有兩點(diǎn)：（1）元素金的化學(xué)特性消失，鍍層表面能增大，潤濕力減?。唬?）鎳原子向金層中擴(kuò)散導(dǎo)致鎳原子與氧氣接觸的概率增大，氧化鎳本身可焊性差，進(jìn)一步惡化鍍層可焊性。

（4）未焊接印制電路板光板。距離未焊接印制電路板焊盤表面深度4.8 nm，開始檢測(cè)到鎳元素；距離焊盤表面深度14.4 nm，無金元素存在。測(cè)試結(jié)果顯示金層厚度偏?。?.025 μm=2 5 nm），IPC標(biāo)準(zhǔn)為金厚在50～100 nm之間，才能保證焊接表面擁有優(yōu)良的潤濕性能，但由于更多的終端為了節(jié)省成本，會(huì)按25 nm的金厚制作，當(dāng)沉金出現(xiàn)管制偏差及金厚測(cè)量儀出現(xiàn)誤差時(shí)，會(huì)最終導(dǎo)致無多余的金保護(hù)鎳層。在本應(yīng)純金層的區(qū)域已出現(xiàn)了鎳/磷元素，產(chǎn)生了金/鎳互溶體，金層區(qū)域出現(xiàn)了異常，盡管從焊盤表面觀察仍舊“金光閃閃”，但已非我們熟知潤濕性極好的金面?；ト艿脑颍航?鎳互溶其本質(zhì)就是鎳擴(kuò)散到了金層，表面物化性能發(fā)生變化，表面能、反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力均改變，難以溶于焊料，最終的結(jié)果就是金層不熔，縮錫。

鎳擴(kuò)散的主要來源：①沉金液中鎳離子超標(biāo)，金層中夾雜鎳離子；②鎳層原子擴(kuò)散，由于金原子尺寸遠(yuǎn)大于鎳原子，提供了鎳擴(kuò)散的路徑，而具體的擴(kuò)散速度與擴(kuò)散時(shí)間、溫度相關(guān)；③金層厚度過薄，對(duì)鎳擴(kuò)散提供了方便。

5 不良焊盤上錫性驗(yàn)證

為了進(jìn)一步確認(rèn)焊盤可焊性，對(duì)上錫不良位置清洗后（酒精+超聲波）進(jìn)行浸錫試驗(yàn)，并觀察浸錫前后焊盤潤濕狀況，如圖7所示。

圖7 清洗前后焊盤潤濕狀況

不良焊盤經(jīng)過清洗并浸錫后，焊盤仍存在上錫不良現(xiàn)象，這側(cè)面證實(shí)了AES分析結(jié)果的正確性，即焊盤金層的金鎳互溶嚴(yán)重影響可焊性，這種不良無法通過清洗或者改變焊接條件來得到優(yōu)化?？珊感詼y(cè)試條件：錫爐溫度255 ℃、浸錫時(shí)間5 s。

6 未焊接印制電路板光板上錫性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證未焊接PCB光板焊盤的上錫狀況，對(duì)與焊接不良的PCB同批次光板進(jìn)行浸錫驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示，不良同批次光板浸錫后，發(fā)現(xiàn)部分焊盤上錫不良現(xiàn)象，同樣表現(xiàn)為金層未溶入焊錫，與焊接不良的PCB失效現(xiàn)象一致。

圖8 光板浸錫后

7 改善研究

（1）試驗(yàn)封孔劑對(duì)金厚偏薄板的補(bǔ)救措施將與焊接不良同周期的PCB光板進(jìn)行清洗烘干后，做鹽霧測(cè)試24 h，發(fā)現(xiàn)過封孔劑與未過封孔劑均有嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 光板封孔劑試驗(yàn)

（2）將與焊接不良同周期的PCB光板進(jìn)行清洗烘干后，加鍍至金厚0.03 μm再做鹽霧測(cè)試24小時(shí)，結(jié)果過封孔劑與未過封孔劑均有無腐蝕現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 加鍍金光板封孔劑試驗(yàn)

（3）取與焊接不良同周期的PCB光板，進(jìn)行清洗后，1塊浸泡封孔劑、1塊不浸泡封孔劑做浸錫測(cè)試，發(fā)現(xiàn)未浸泡封孔劑的板上錫性較差。取與焊接不良同周期的PCB光板，在化金前處理只開磨板和噴砂，加鍍金厚至0.03 μm后其中1塊浸泡封孔劑，另1塊不浸泡封孔劑作浸錫測(cè)試，發(fā)現(xiàn)兩者上錫飽滿無明顯差異，如圖11所示。而噴砂處理對(duì)上錫性無明顯幫助。

圖11 噴砂處理對(duì)上錫性試驗(yàn)

封孔劑是采用了分子識(shí)別技術(shù)，結(jié)合了超技術(shù)和納米修復(fù)技術(shù)，針對(duì)鍍層晶格缺陷等一些問題所導(dǎo)致的金層下面的鍍層易受攻擊，通過表面清洗、滲透交換、逐層修復(fù)和自主成膜等手段從根本上解決了鍍層隱患，能滿足高溫回流焊后的可焊錫性。

8 結(jié)論

（1）綜合全部分析判定失效現(xiàn)象為組裝生產(chǎn)過程中焊盤出現(xiàn)嚴(yán)重的上錫不良現(xiàn)象，局部存在明顯的縮錫，外觀檢查發(fā)現(xiàn)，不良板表現(xiàn)為焊盤潤濕不良、焊盤露金異常。表面分析及可焊性驗(yàn)證結(jié)果顯示：不良焊盤表面未發(fā)現(xiàn)異常元素，同時(shí)不良焊盤經(jīng)清洗后重新浸錫仍不上錫，故排除外來污染對(duì)焊盤上錫的影響。

（2）剖面分析結(jié)果顯示：上錫不良位置表面平整，未發(fā)現(xiàn)明顯焊錫殘留。鍍層放大后，未發(fā)現(xiàn)明顯鎳腐蝕現(xiàn)象，排除鎳層腐蝕對(duì)焊盤上錫不良的影響。

（3）未焊接光板鍍層分析結(jié)果顯示：焊盤表面含有碳、氧、磷、金、、鎳元素，未發(fā)現(xiàn)異常元素存在。焊盤切片后，局部位置存在鎳腐蝕現(xiàn)象，但此現(xiàn)象并不能導(dǎo)致焊盤出現(xiàn)大面積金不溶現(xiàn)象。鎳層磷含量為9.0%～9.5%，屬于正常范圍。

（4）AES分析結(jié)果顯示：上錫不良焊盤表面深度0～9 nm范圍，主要含有較高的碳、氧、鎳元素；深度19.2 nm，探測(cè)到金元素，隨著深度的增加，金元素又逐漸降低。以上規(guī)律說明，金層內(nèi)部已存在較高含量的鎳，高鎳的存在影響了金層化學(xué)特性。金/鎳互溶的直接影響有兩點(diǎn)：（1）元素金的化學(xué)特性消失，鍍層表面能增大，潤濕力減??；（2）鎳原子向金層中擴(kuò)散導(dǎo)致鎳原子與氧氣接觸的概率增大，氧化鎳本身可焊性差，進(jìn)一步惡化鍍層，根本為金層厚度過薄導(dǎo)致。

（5）通過浸泡封孔劑的方式可以減緩鎳層氧化速度，可進(jìn)一步改善可焊性問題，但最終的根本解決原因還是需要將金層制作大于0.03 μm才能確保鎳層被保護(hù)良好，不受高溫氧化影響。