引言

 

PCB表面處理工藝的多元化，滿足了日益復雜的PCB組裝焊接要求的同時，也出現了很多兼容性問題， 其中，PCB焊盤上錫不良就是常見的問題之一。本文通過形貌觀察、表面分析、切片分析、驗證分析等方法，分析PCB上錫不良的失效原因與失效機理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

PCB在組裝生產過程中焊盤出現明顯的上錫不良現象。現進行測試分析，查找焊盤上錫不良原因。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

利用體視顯微鏡，對焊盤上錫不良位置進行外觀檢查，結果如圖1所示。/p>

不良PCBA多處焊盤位置明顯發現上錫不良現象，表現為焊盤潤濕不良、焊盤露金異常。

 

圖1. 上錫不良焊點外觀檢查照片

 

2. 表面分析

為了確認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，對不良焊盤清洗后進行形貌觀察及成分分析，結果如圖2所示：

上錫不良焊盤表面形貌未見明顯污染和鎳腐蝕異常；EDS結果顯示，上錫不良位置未發現異常元素存在；上錫不良位置發現較多Au元素存在，即焊盤Au層未溶入焊錫。后續通過AES對焊盤金層進一步分析。

 

圖2. 上錫不良焊盤清洗后SEM圖片及EDS能譜圖

 

3. 剖面分析

為了觀察上錫不良焊盤截面形貌，對上錫不良焊盤進行剖面分析，結果如圖3所示：

上錫不良位置表面平整，未發現明顯焊錫殘留，與表面觀察結果一致。鍍層放大后，未發現明顯鎳腐蝕現象，排除鎳層腐蝕對焊盤上錫不良的影響；其他正常焊盤焊接未見異常。

 

圖3. 不良PCBA焊點切片后截面形貌觀察形貌及EDS能譜圖

 

4. PCB光板分析

為了確認PCB光板鍍層是否存在異常，對PCB光板焊盤進行表面分析及剖面分析，結果如下：

表面分析：如圖4所示：PCB焊盤表面形貌未見明顯污染與鎳腐蝕現象，未發現異常元素存在。

 

圖4. PCB光板焊盤表面形貌及EDS譜圖

 

剖面分析：如圖5所示：PCB焊盤切片后，鍍層未見鎳腐蝕異常；EDS結果顯示，Ni層P含量屬正常范圍。

 

圖5. PCB光板焊盤剖面形貌及EDS譜圖

 

5. AES分析

為了確認上錫不良焊盤及PCB焊盤極表面成分狀況，現通過AES對上錫不良焊盤、PCB光板焊盤進行測試，結果如圖6及表1~2所示：

金層表面已經存在較高含量的鎳，高鎳的存在影響了金層化學特性。金/鎳互溶的直接影響有兩點：①元素金的化學特性消失，改變了鍍層表面能，降低其潤濕力；②鎳原子向金層中擴散導致鎳原子與氧氣接觸的概率增大，氧化鎳本身可焊性差，進一步惡化鍍層可焊性。

PCB光板：PCB焊盤表面檢測到Ni元素；測試結果顯示，純金層厚度偏?。▊渥ⅲ篊的峰極其微小，但是C的靈敏度很高，極其微小的C，峰也能出來。）

 

圖6. AES測試位置

 

表1. PCBA不良焊盤表面清洗后AES測試結果（At.%）

（備注：濺射深度參照硅片濺射速度進行計算得出，故數據結果與實際深度有偏差。）

 

表2. PCB光板焊盤表面AES測試結果（At.%）

（備注：濺射深度參照硅片濺射速度進行計算得出，故數據結果與實際深度有偏差。）

 

6. 不良焊盤上錫性驗證

為了進一步確認焊盤可焊性，對上錫不良位置清洗后進行浸錫試驗，并觀察浸錫前后焊盤潤濕狀況，結果如圖7所示：

不良焊盤經過酒精清洗并浸錫后，焊盤仍存在上錫不良現象，這側面證實了AES分析結果的正確性，即焊盤金層的金鎳互溶嚴重影響可焊性，這種不良無法通過清洗或者改變焊接條件來得到優化。

 

圖7. 上錫不良位置浸錫前后照片對比

 

7. PCB上錫性驗證

為了驗證PCB光板焊盤上錫狀況，對PCB光板進行浸錫試驗，結果如圖8所示：

PCB光板浸錫后，發現部分焊盤上錫不良現象，同樣表現為金層未溶入焊錫，與PCBA失效現象一致。

 

圖8. PCB光板焊盤浸錫后照片

 

三、總結分析

 

本案件失效現象為組裝生產過程中焊盤出現嚴重的上錫不良現象，局部存在明顯縮錫。

 

外觀檢查發現，不良PCBA多處焊盤位置明顯發現上錫不良現象，表現為焊盤潤濕不良、焊盤露金異常。

 

表面分析及上錫不良位置可焊性驗證結果顯示，不良焊盤表面未發現異常元素，同時不良焊盤經清洗后重新浸錫后仍不上錫，故排除外來污染對焊盤上錫的影響。

 

剖面分析結果顯示，上錫不良位置表面平整，未發現明顯焊錫殘留。鍍層放大后，未發現明顯鎳腐蝕現象，排除鎳層腐蝕對焊盤上錫不良的影響。

 

PCB光板鍍層分析結果顯示，焊盤表面未發現異常元素存在。焊盤切片后，鍍層未見鎳腐蝕異常。

 

AES分析結果顯示，金層表面已經存在較高含量的鎳，高鎳的存在影響了金層化學特性。金/鎳互溶的直接影響有兩點：①元素金的化學特性消失，改變了鍍層表面能，降低其潤濕力；②鎳原子向金層中擴散導致鎳原子與氧氣接觸的概率增大，氧化鎳本身可焊性差，進一步惡化鍍層可焊性。

 

PCB光板測試結果顯示，金層厚度偏薄。PCB光板可焊性驗證結果顯示，部分焊盤存在上錫不良現象，表現為金層不溶現象。

 

四、結論與建議

 

ENIG 焊盤上錫不良的原因為：PCB焊盤金層內含有較高含量的鎳，金鎳互溶導致焊盤表面潤濕能力降低。

 

建議：

1. 優化PCB物料來料質量管控，增加可焊性測試；

2. 監控鍍金槽內的鎳離子含量，防止鎳含量超標；

3. 適當增加金層有效厚度，具體參見IPC標準。

 

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