李 伏 李 斌 辜小謹（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
（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，對導致沉錫PCB焊接失效的原因進行了分析，并詳細的介紹了多種沉錫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、滿足無鉛焊接需求等眾多優(yōu)點，因此近些年隨著無鉛焊接的廣泛實施，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越廣泛應用，但隨之而來的便是客戶時有投訴的可焊性不良問題。那么導致沉錫PCB焊接失效的原因是什么，又如何對沉錫焊接失效板件進行原因分析呢？為此本文詳細闡述了導致沉錫焊接失效的各種原因，并結合眾多失效案例，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焊接失效原因時提供一定的方法參考，進而控制好沉錫品質。

1 焊接不良的定義

焊接實質上就是使熔融的焊料與焊接襯底，即待焊接表面接觸，通過焊料與焊接基材之間的原子相互擴散，在界面上形成一層金屬間化合物（IMC）的過程。焊料潤濕過程主要包含以下三個步驟：

（1）液體焊料在基底金屬上面擴散，接觸角由界面張力的平衡來決定；

（2）基底金屬溶入液體焊料；

（3）基底金屬與液體焊料起反應形成金屬間化合物（IMC）。

當焊料無法潤濕焊盤表面時，則出現(xiàn)焊接失效或焊接不良。根據(jù)焊料潤濕焊盤表面的特征來分，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，相關焊接失效類型定義如下：

Dewetting（反潤濕）：本來焊料是擴展平鋪開了，但是又縮回去了，中間留下了錫爬過的痕跡，在空焊盤上很容易看出來。

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

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

Cold soldering（冷焊）：焊點是灰色的，粗糙,如同焊點是生的，沒熟。熟的焊點較亮（無鉛焊點偏暗）。

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，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。在實際焊接中引起焊接不良的原因主要有以下幾個方面：

（1）焊接熱量不足；

（2）錫膏活性太低；

（3）預熱時間太短或溫度太高；

（4）PCB表面處理不良；

（5）回流時回流區(qū)溫度不足、時間太長或太短；

（6）零件腳氧化、污染或變形等。

沉錫表面處理的焊接機理比較簡單，即焊料熔融后，銅與錫直接反應生成Cu6Sn5的合金層。由于是銅與錫的直接焊接，因此潤濕效果遠好于沉金等表面處理，且焊點強度高，可靠性好。但在實際裝配焊接過程中，沉錫PCB也時有焊接失效問題發(fā)生。從焊接失效案例分析來看，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→得出失效結論。在實際的沉錫焊接失效案例分析中，可以綜合以下幾種方法對失效的原因進行具體分析，以使分析結果全面、準確，確保找到導致焊接失效的真因。以下將結合實際失效案例對各種沉錫失效分析方法及手段進行介紹。

圖2 沉錫PCB可焊性不良原因魚骨圖

3.1 焊接失效現(xiàn)象觀察及失效原因初判

當收到焊接失效的PCB樣板時，首先需了解失效PCB板件的數(shù)量、比例、生產(chǎn)時間等相關信息,然后對焊接失效情況進行初判。首先需確認失效焊點是發(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濕不良還是整面潤濕不良。根據(jù)沉錫板件的焊接失效經(jīng)驗，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，且基本出現(xiàn)在局部位置。

3.1.1 案例一

圖3是一個沉錫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，無論是BGA還是SMT焊點均非常飽滿。而焊錫面焊盤表面多處缺錫或錫量不足，從切片分析看，SMT上錫位置潤濕角度正常，IMC生成均勻；對未上錫位置再次進行可焊性浸錫測試，均良好濕潤；從未焊接的焊盤看，錫面顏色正常，進一步排除PCB錫面異常的可能性，因此失效原因應為局部印錫膏不良導致。

圖3 錫膏印刷不良導致的焊接失效

3.1.2 案例二

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

圖4 回流焊接受熱不良導致的焊接失效圖片

3.1.3 案例三

沉錫PCB焊接后常出現(xiàn)一個缺陷就是錫面變色。正常的沉錫PCB經(jīng)過2次無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（回流焊接溫度過高也會引起發(fā)黃變色問題）。我們知道沉錫藥水內含有甲基磺酸、硫脲等，沉錫后處理清洗時較難清洗干凈，一旦回流時受到高溫影響就會發(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。如果想進一步確認錫面變色的原因，可以采用SEM及EDX等方法做進一步的分析確認。

3.2 錫層厚度分析

沉錫表面處理完成后錫與銅會形成銅錫合金（相關各層顯微組織如圖5[1]所示），且在PCB儲存及老化的的過程中純錫會不斷與銅反應生成銅錫合金層，使純錫層厚度不斷減少，并最終導致可焊性不良。因此分析錫層厚度對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

沉錫層的厚度對可焊性有一定的影響，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，32 μm以上的錫厚即可滿足兩次無鉛回流的可焊性要求。但由于沉錫后錫與銅會形成薄薄的銅錫合金層，且合金層厚度隨著儲存時間的延長會不斷增厚，有時甚至可能生長到表面，引起嚴重的可焊性問題，因此為保證一定的儲存期，一般要求沉錫層厚度控制在36 μm（XRF法測試）以上。如果錫厚不足，會導致錫層無法有效覆蓋銅層，使錫層存在較多孔隙，PCB經(jīng)過一段時間的儲存后，尤其是經(jīng)過一次回流焊接后，沉錫層多會發(fā)生變色。從SEM圖片來看，沉錫后的錫層存在較多孔隙，無法有效覆蓋銅面，導致回流后焊盤氧化變色。

由于回流焊接過程中的高溫會加速純錫層與銅反應生成合金層，因此在失效分析時單純測試已焊接PCB純錫層的厚度無法得知焊接前PCB錫厚是否足夠。那么對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？對比沉錫厚度測量的兩種方法即庫倫法和XRF射線法（見下圖6）我們發(fā)現(xiàn)XRF法在測試沉錫層厚度時有一個特性，即無論沉錫PCB是否經(jīng)過回流焊，其錫厚并不隨著回流次數(shù)的變化而變化，因此可利用XRF法測試回流焊接后失效PCB樣板上未焊接沉錫焊盤的錫厚來推斷PCB焊接前沉錫層厚度是否足夠。

圖6 XRF及SERA測試錫厚對比（不同回流焊接次數(shù)）

3.2.2 純錫層厚度分析

純錫層厚度測試的目的主要是評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PCB已經(jīng)過兩次高溫回焊，剩余純錫層厚度已不多，因此此項分析對于尋找導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)及回流峰值溫度對純錫層厚度的影響（SERA法測試）

3.3 金相切片分析

3.3.1 焊點形貌觀察及IMC分析

金相切片分析主要用于焊點內部情況的觀察，包括IMC的形成情況，焊料的爬錫情況、潤濕角的大小及焊料的結晶情況等，也是沉錫失效分析中應用比較廣泛的一種方法。圖8是采用金相切片法來判定沉錫焊接失效原因的一個案例，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。采用切片法對比元器件兩側引腳的焊接情況，發(fā)現(xiàn)左側焊接失效引腳上錫量明顯多于另一側引腳，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，會形成嚴重的虛焊現(xiàn)象，是PCBA常見焊接缺陷之一，多見于回流焊中。芯吸現(xiàn)象產(chǎn)生的原因通常認為是元件引腳的導熱率大，回流焊接時升溫過快等導致，以致焊料優(yōu)先潤濕引腳。同時元器件引腳的上翹也會加劇芯吸效應的發(fā)生。解決芯吸問題一方面應認真檢查和保證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用于生產(chǎn)。

圖8 芯吸引起的焊接失效

3.3.2 焊點潤濕角分析

潤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°時表示潤濕，大于90°表示不潤濕[2]或潤濕不良（指非阻焊定義焊盤）。潤濕角大小是評估焊盤可焊性的一個重要指標，良好的潤濕角度一般在45°±10°左右，角度越小錫膏在焊盤潤錫面積越大，鋪展率就越大。下圖9是潤濕角測試方法示意圖[3]，即測試前在焊盤表面印上錫膏，回流后切片觀察潤濕角大小。

圖9 潤濕角測試方法示意圖

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

3.4 SEM及EDX分析

SEM（掃描電子顯微鏡）及EDX（能譜分析）可以用于進一步確認沉錫焊接失效的原因。SEM分析主要是用來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 焊盤潤濕不良外觀圖及切片圖

對于沉錫PCB來講，由于其表面處理的特殊性，因此無論是PCB廠還是裝配廠都必須嚴格控制好儲存及裝配環(huán)境，規(guī)范操作，以防止錫面污染導致的可焊性不良問題。

4 結語

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

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

[2]安美特化學有限公司技術資料. 化學浸錫工藝在線路板市場上的發(fā)展及技術上的應用.

李伏，碩士，高級工程師，主要負責PCB產(chǎn)品可靠性評估及新材料新工藝的可靠性評估，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；

李斌，中級工程師，主要負責PCB產(chǎn)品性能檢測及PCB認證產(chǎn)品的可靠性評估。

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

A

1009-0096（2014）03-0062-05