PCBA上焊盤(pán)焊接不良原因分析

摘 要：PCBA上錫不良的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)失效焊盤(pán)進(jìn)行表面觀察、剖面分析、表面成分分析等手段查找失效原因。結(jié)果表明：由于失效焊盤(pán)在過(guò)爐前被氧化，焊盤(pán)表面沉錫層厚度急劇減薄，從而導(dǎo)致焊盤(pán)上錫不良。從而總結(jié)出在回流焊接工藝中PCBA焊盤(pán)上錫不良的原因由設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備和工藝所合成的。

關(guān)鍵詞：PCBA；上錫不良；表面SEM；FIB剖面

電子產(chǎn)品的無(wú)鉛化以來(lái)，元件或PCB焊接端子上純錫鍍層被廣泛應(yīng)用，同時(shí)也伴隨著錫須的誘發(fā)和生長(zhǎng)就更加容易了。錫須的危害很?chē)?yán)重，它可能直接與鄰近的導(dǎo)體接觸形成短路，導(dǎo)致產(chǎn)品失效，也可能因?yàn)殄a須的生長(zhǎng)導(dǎo)致底層IMC機(jī)械失效降低產(chǎn)品工作壽命。

1 對(duì)焊盤(pán)外觀的檢查

對(duì)失效樣品進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)失效焊盤(pán)在PCB板上位置不固定，進(jìn)行顯微放大觀察，焊盤(pán)表現(xiàn)為不上錫，失效焊盤(pán)如圖1所示，焊盤(pán)表面未發(fā)現(xiàn)明顯變色等異常情況。

2 對(duì)焊盤(pán)表面SEM分析

SEM分別對(duì)未過(guò)爐的焊盤(pán)、失效焊盤(pán)、過(guò)爐一次的焊盤(pán)進(jìn)行表面微觀觀察，如圖2所示。結(jié)果顯示過(guò)爐一次焊盤(pán)和失效焊盤(pán)表面存在微小的凸起顆粒，表明沉錫層在過(guò)爐后表面生成錫須。晶粒粗大的鍍層由于晶界數(shù)量少而可以抑制錫須的生長(zhǎng)。表面亞光錫鍍層可以減緩或抑制錫須的生長(zhǎng)，反之，光亮純錫鍍層錫須風(fēng)險(xiǎn)高。結(jié)晶組織對(duì)錫須的生長(zhǎng)有明顯的影響。

3 焊盤(pán)FIB制樣剖面分析

FIB對(duì)失效焊盤(pán)、過(guò)爐一次焊盤(pán)來(lái)進(jìn)行制作剖面，再EDS對(duì)剖面表層進(jìn)行成分線(xiàn)掃描，具體結(jié)果見(jiàn)圖3～4。結(jié)果表明：失效焊盤(pán)在表層已經(jīng)出現(xiàn)Cu元素，說(shuō)明純錫層中Sn已經(jīng)基本完全與Cu形成錫銅合金。錫須是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程，對(duì)于元器件銅引腳的純錫鍍層來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)錫須是絕對(duì)的，生長(zhǎng)的快慢由鍍層工藝、鍍層材料、電鍍?cè)O(shè)備和工藝等方面來(lái)確定。

4 分析與討論

沉錫板焊盤(pán)的結(jié)構(gòu)主要分為銅層、銅錫合金層、純錫層及表層的氧化錫層，其中純錫層可保證焊盤(pán)表面具有良好的潤(rùn)濕性。同時(shí)，也與應(yīng)力有關(guān)，應(yīng)力可分為內(nèi)外兩部分，內(nèi)應(yīng)力來(lái)自于不匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE）、表面的氧化物形成和擴(kuò)散及錫的腐蝕等，金屬間化合物的不規(guī)則生長(zhǎng)形成的應(yīng)力也可造成錫須的產(chǎn)生。溫度對(duì)錫須生長(zhǎng)具有決定性的影響，一方面提供能量影響原子擴(kuò)散速度，同時(shí)材料的熱脹冷縮性質(zhì)又可讓鍍層內(nèi)部應(yīng)力松弛；外應(yīng)力來(lái)自于機(jī)械彎曲、機(jī)械沖擊等。

5 結(jié)論

由于過(guò)爐時(shí)加速銅與錫之間的擴(kuò)散，使銅錫合金層加厚，同時(shí)加劇錫層被氧化，導(dǎo)致純錫層變??；盡管錫須問(wèn)題很?chē)?yán)重，很致命，但又不可避免?，F(xiàn)有的電子組裝工藝決定了焊接材料及焊接端子鍍層都離不開(kāi)金屬錫。錫須的生長(zhǎng)是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程，對(duì)于元器件銅引腳的純錫鍍層而言，生長(zhǎng)錫須是絕對(duì)的，而生長(zhǎng)的快慢則可以從鍍層工藝、鍍層材料等方面采取必要的措施進(jìn)行抑制，以減緩錫須的生長(zhǎng)長(zhǎng)度和密度。

6 建議

（1）使用活性更強(qiáng)的助焊劑，增強(qiáng)錫膏去氧化層能力。

（2）增加PCB板沉錫層厚度，保證在過(guò)爐一次后，錫層厚度仍能滿(mǎn)足可焊性要求。

（3）增加氮?dú)獗Ｗo(hù)，降低焊盤(pán)表層氧化。

（4）結(jié)晶組織形態(tài)對(duì)錫須的生長(zhǎng)有明顯的影響，形態(tài)復(fù)雜，等軸結(jié)晶組織能有效地抑制錫須生長(zhǎng)。

（5）所有焊盤(pán)引腳必須加入“熱阻”設(shè)計(jì)，避免造成“冷”焊盤(pán)

參考文獻(xiàn)

[1]李伏，李斌，辜小謹(jǐn).沉錫PCB焊接失效分析方法[J].印刷電路信息，2014，3.

[2]PCBA Random Vibration Analysis using FEA Reliability Engineering Group.

[3]Cascade Engineering Services， Inc.

作者簡(jiǎn)介：呂俊杰（1969，02-），男，漢族，籍貫：湖北應(yīng)城，職稱(chēng)：副教授，學(xué)歷：研究生，單位：武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信學(xué)院，研究方向：電子技術(shù)。