引言

PCB的焊盤表面經(jīng)化鎳浸金工藝處理后，具有平整度高、接觸電阻低、耐磨性、耐熱性好及貯存時間長等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)在于容易產(chǎn)生黑盤，黑盤的隱蔽性易使得不合格品流入客戶端，并在裝配后導(dǎo)致元器件焊點(diǎn)強(qiáng)度不足，最終致使產(chǎn)品功能失效。

本文以芯片異常脫落失效為例，通過外觀檢查、形貌觀察、成分分析、切片分析等方法，分析其失效原因與機(jī)理，并提出改善建議。

一、案例背景

PCB經(jīng)貼板至后工序組裝，發(fā)現(xiàn)芯片脫落，焊盤光滑，殘錫很少。現(xiàn)進(jìn)行測試分析，查找芯片脫落的原因。

二、分析過程

1. 外觀檢查

隨機(jī)抽取脫落PCB及脫落芯片，利用體視顯微鏡對脫落芯片分離界面進(jìn)行光學(xué)檢查，結(jié)果如下：

如圖1所示，芯片焊點(diǎn)脫落界面平整，焊錫主要?dú)埩粲谛酒瑐?cè)，焊盤側(cè)光滑，殘錫較少；脫落焊點(diǎn)周圍疑似助焊劑殘留跡象，脫落界面未見明顯異物殘留。

圖1. 失效樣品PCB表面外觀檢查照片

2. 表面分析

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對芯片焊點(diǎn)脫開界面（PCB側(cè)及芯片側(cè)）進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如下。

PCB側(cè)：如圖2所示，脫開界面PCB側(cè)形貌觀察及成分分析結(jié)果顯示：①多數(shù)焊點(diǎn)脫開界面位于靠PCB側(cè)IMC與Ni-P層之間，脫開界面平整，呈現(xiàn)脆性斷裂特征；②放大后，焊盤表面疑似輕微Ni腐蝕裂紋存在；③引腳焊盤局部金層未溶，說明焊盤潤濕性較差；④個別焊點(diǎn)脫開界面位于靠芯片側(cè)IMC與焊錫之間，界面形貌未見明顯異常；⑤所有脫開界面未見明顯異常元素存在。

6個焊點(diǎn)脫落界面靠PCB焊盤側(cè)（紅色箭頭所指），3個焊點(diǎn)脫落界面靠芯片引腳側(cè)（黃色箭頭所指）

圖2. 脫落芯片脫開界面（PCB側(cè)）形貌觀察及成分分析結(jié)果

芯片側(cè)：如圖3所示，脫開界面芯片側(cè)形貌觀察及成分分析結(jié)果顯示：①多數(shù)引腳發(fā)現(xiàn)明顯殘錫，即脫開界面靠PCB側(cè)；②放大后，引腳底部局部含有較高O、Sn元素及少量的C、Na、Cl、K、Ni元素，推測助焊劑殘留及人為污染；③個別引腳脫開界面靠芯片引腳側(cè)，放大后，形貌及成分未見明顯異常。

圖3. 脫落芯片脫開界面（芯片側(cè)）形貌觀察及成分分析結(jié)果

以上結(jié)果可知，芯片多數(shù)焊點(diǎn)脫開界面靠PCB側(cè)IMC與Ni-P之間，脫開界面平整，呈現(xiàn)脆性斷裂特征；放大后，焊盤表面疑似輕微Ni腐蝕裂紋存在；個別引腳焊盤局部金層未溶，說明焊盤潤濕性較差。少數(shù)焊點(diǎn)脫開界面位于靠引腳側(cè)焊錫與IMC之間，界面形貌及成分未見明顯異常。

3. 剖面分析

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對脫落芯片（PCB側(cè)及芯片側(cè)）及PCB板（OK）樣品切片后截面進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如下。

PCB側(cè)：如圖4所示，形貌觀察及成分分析結(jié)果顯示：①焊點(diǎn)脫開界面主要位于靠PCB側(cè)IMC與Ni-P之間，脫開界面平整，呈脆性斷裂特征，結(jié)果與表面分析一致；②脫開界面放大后，局部發(fā)現(xiàn)鎳腐蝕現(xiàn)象；③靠PCB側(cè)未脫開位置，IMC形貌異常，厚度在0.993μm~1.34μm，局部厚度偏薄，同樣存在脫開風(fēng)險。

（備注：行業(yè)一般要求，鎳錫IMC厚度在1-3μm，才具有較好的焊接強(qiáng)度。）

圖4. 脫落芯片焊點(diǎn)切片后截面（PCB側(cè)）形貌觀察及成分分析

芯片側(cè)：如圖5所示，形貌觀察及成分分析結(jié)果顯示：①焊錫主要?dú)埩粜酒_側(cè)，脫開界面平整，呈脆性斷裂特征；②脫開界面放大后，IMC形貌異常，局部無明顯IMC生成，即IMC生成不連續(xù)；③成分測試顯示，IMC主要含有Sn、Cu元素及少量的C、O、Ni元素，說明IMC主要為銅錫合金化合物，成分異常。

（備注：靠PCB側(cè)的脫開界面，只有焊錫與鎳層生成連續(xù)、均勻，厚度合適的鎳錫IMC,才能保證PCB側(cè)具有較好的焊接強(qiáng)度。）

圖5. 脫落芯片焊點(diǎn)切片后截面（芯片側(cè)）形貌觀察及成分分析

PCB板（OK）：如圖6所示，焊點(diǎn)截面形貌觀察及成分分析結(jié)果顯示：①焊點(diǎn)未見明顯脫開異常；②芯片側(cè)IMC生成形貌正常，厚度平均2.41μm，厚度均勻正常；③PCB側(cè)IMC生成形貌異常，厚度極不均勻，厚度平均值0.926μm，厚度偏薄，故PCB板（OK）焊點(diǎn)靠PCB側(cè)同樣存在開裂風(fēng)險。

圖6. PCB板（OK）樣品焊點(diǎn)切片后截面形貌觀察及成分分析結(jié)果

以上結(jié)果可知，芯片焊點(diǎn)脫開界面主要位于靠PCB側(cè)IMC與Ni-P層之間，脫開界面平整，呈脆性斷裂特征；該脫開界面，IMC生成形貌、成分異常，局部無明顯IMC生成，即IMC生成不連續(xù)，故靠PCB側(cè)界面無法形成正常的冶金結(jié)合層，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)異常脫開。PCB板（OK）樣品PCB側(cè)界面，IMC形貌異常，厚度不均勻，厚度偏薄，同樣存在開裂的風(fēng)險。

4. PCB光板分析

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對PCB光板焊盤表面及截面進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如下：

表面分析：如圖7所示，焊盤表面形貌觀察及成分分析結(jié)果顯示：①褪金前，焊盤表面探測到C、O、P、Au、Ni元素，未見異常元素存在；②褪金后，鎳層表面局部發(fā)現(xiàn)輕微腐蝕裂紋現(xiàn)象。

圖7. PCB光板褪金前、后形貌觀察及成分分析結(jié)果

剖面分析：如圖8所示，焊盤切片后截面形貌觀察及成分分析顯示：①焊盤鍍層局部位置發(fā)現(xiàn)明顯鎳腐蝕現(xiàn)象，局部發(fā)現(xiàn)連續(xù)性鎳腐蝕形貌；②金層厚度22.5nm~27.9nm，厚度偏??；③鎳層P含量為6.7wt%，屬低磷范圍。

備注：IPC-6012C-2010 剛性印制板的鑒定及性能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中要求，ENIG焊盤浸金層厚度最小50nm。

圖8. PCB光板焊盤切片后截面形貌觀察及金層厚度測量結(jié)果

三、總結(jié)分析

首先對芯片脫落界面進(jìn)行光學(xué)檢查，結(jié)果顯示：芯片焊點(diǎn)脫落界面平整，焊錫主要?dú)埩粲谛酒瑐?cè)，焊盤側(cè)光滑，殘錫較少；脫落焊點(diǎn)周圍疑似助焊劑殘留跡象，脫落界面未見明顯異物殘留。

脫開界面表面分析結(jié)果顯示：芯片多數(shù)焊點(diǎn)脫開界面靠PCB側(cè)IMC與Ni-P之間，脫開界面平整，呈現(xiàn)脆性斷裂特征，脫開界面未見明顯異常元素存在；放大后，焊盤表面疑似輕微Ni腐蝕裂紋存在；個別引腳焊盤局部金層未溶，說明焊盤潤濕性較差。少數(shù)焊點(diǎn)脫開界面位于靠引腳側(cè)焊錫與IMC之間，界面形貌及成分未見明顯異常。

脫開界面剖面分析結(jié)果顯示：芯片焊點(diǎn)脫開界面主要位于靠PCB側(cè)IMC與Ni-P層之間，脫開界面平整，呈脆性斷裂特征；該脫開界面，IMC生成形貌、成分異常，局部無明顯IMC生成，即IMC生成不連續(xù)，故靠PCB側(cè)界面無法形成正常的冶金結(jié)合層，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)異常脫開。PCB板（OK）樣品PCB側(cè)界面，IMC形貌異常，厚度不均，厚度平均值0.926μm，厚度偏薄，同樣存在開裂的風(fēng)險。

PCB光板分析結(jié)果顯示：①褪金前，焊盤表面探測到C、O、P、Au、Ni元素，未見異常元素存在，褪金后，鎳層表面局部發(fā)現(xiàn)輕微腐蝕裂紋現(xiàn)象；②焊盤切片后截面局部位置發(fā)現(xiàn)明顯鎳腐蝕現(xiàn)象，局部發(fā)現(xiàn)連續(xù)性鎳腐蝕形貌；③金層厚度22.5nm~27.9nm，厚度偏??；④鎳層P含量為6.7wt%，屬低磷范圍。

四、結(jié)論與建議

芯片異常脫落的原因主要為靠PCB側(cè)IMC生成異常所致，表現(xiàn)為IMC形貌、成分異常，厚度不均，厚度偏薄，導(dǎo)致界面無法形成正常的冶金結(jié)合層，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)異常脫開。

IMC生成異常主要與PCB光板鍍層質(zhì)量有關(guān)：①鎳層存在腐蝕異常；②金層厚度偏薄。

建議：

1. 嚴(yán)格管控PCB化鎳浸金工藝制程，避免鎳層腐蝕異常；

2. 適當(dāng)提高PCB焊盤金層厚度。

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