引言

 

化鎳浸金作為高端PCB表面處理的首選，具有可焊接、可觸通、可打線、可散熱等功能。然而，因其工藝質(zhì)量的高要求，導(dǎo)致產(chǎn)品鎳腐蝕、黑盤等失效問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。本文以PCBA元器件脫落失效為例，通過(guò)表面分析、形貌觀察、切片分析與可焊性測(cè)試等方法，分析PCBA器件脫落失效的原因與機(jī)理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

PCBA 元器件整體脫落，焊盤發(fā)黑。現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試分析，查找PCBA器件異常脫落的原因。

 

二、分析過(guò)程

 

1. 外觀檢查

失效PCBA選取2處典型不良焊點(diǎn)，分別命名為NG1、NG2，利用體視顯微鏡對(duì)不良焊點(diǎn)進(jìn)行光學(xué)檢查：

NG1器件脫落位置，脫開界面發(fā)現(xiàn)焊盤側(cè)脫落界面相對(duì)平整，表面顏色發(fā)黑；器件側(cè)界面呈多孔現(xiàn)象；

NG2未脫落器件PCB焊盤表面存在明顯潤(rùn)濕不良現(xiàn)象，焊盤顏色發(fā)黑異常。

 

2. 表面分析

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)NG1焊盤及器件脫落界面進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如下：

PCB焊盤側(cè)表面分析顯示：焊盤脫落界面相對(duì)平整，表面異物主要為助焊劑殘留元素，未見(jiàn)異常元素存在，排除焊盤污染對(duì)上錫不良的影響；清洗后，脫落界面發(fā)現(xiàn)存在明顯泥裂狀鎳腐蝕現(xiàn)象，成分測(cè)試結(jié)果顯示，表面含有C、O、P、Sn、Ni、Cu元素。

器件側(cè)表面分析顯示：器件側(cè)脫落界面存在大量空洞，表面有助焊劑殘留；脫落面成分主要為焊錫。

 

圖1. NG1不良脫落焊點(diǎn)（清洗前）表面形貌及成分譜圖

 

圖2. NG1不良脫落焊點(diǎn)PCB側(cè)（清洗后）表面形貌及成分譜圖

 

3. 剖面分析

對(duì)失效樣品NG1、NG2位置和正常樣品與OK1（NG2器件相同位置）分別切片后，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)截面形貌及成分進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如下。

NG1：如圖3所示，截面觀察顯示：①焊點(diǎn)脫落發(fā)生在PCB焊盤與焊料之間，表現(xiàn)為PCB焊盤潤(rùn)濕不良，呈虛焊特征，焊接界面未見(jiàn)明顯IMC生成。②器件引腳側(cè)IMC生成正常，排除熱輸入不足的影響。③放大后觀察發(fā)現(xiàn)PCB焊盤存在連續(xù)帶狀鎳腐蝕，腐蝕深度比例為鎳層厚度的32.5％。

 

圖3. NG1截面形貌及成分譜圖

 

NG2：如圖4所示，截面觀察顯示：未脫落器件焊點(diǎn)截面顯示焊接面焊盤多處存在不潤(rùn)濕現(xiàn)象，PCB焊盤焊接界面IMC成分和界面結(jié)構(gòu)異常，焊接界面有連續(xù)鎳腐蝕現(xiàn)象，未形成有效焊接，影響焊點(diǎn)強(qiáng)度；界面處局部存在的金錫化合物在一定程度上會(huì)增加焊點(diǎn)的脆性。

 

圖4. NG2截面形貌及成分譜圖

 

OK1：如圖5所示，截面觀察顯示：①PCB焊盤多處存在不潤(rùn)濕現(xiàn)象，焊接界面IMC成分和界面結(jié)構(gòu)異常，焊接界面存在鎳腐蝕現(xiàn)象，未形成有效焊接，影響焊點(diǎn)強(qiáng)度；界面處局部存在的金錫化合物在一定程度上會(huì)增加焊點(diǎn)的脆性。②器件側(cè)IMC結(jié)構(gòu)正常，IMC厚度約1.49~2.18µm，說(shuō)明熱輸入正常。

 

圖5. OK1截面形貌及成分譜圖

 

4. PCB光板分析

4.1 表面分析

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)失效批次PCB光板焊盤及腿金后焊盤表面進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如下：

失效批次PCB光板焊盤表面分析顯示：焊盤表面未見(jiàn)明顯污染。

失效批次PCB光板焊盤褪金處理后表面分析顯示：表面明顯存在大量泥裂狀鎳腐蝕和針孔狀鎳腐蝕現(xiàn)象。

 

圖6. 失效批次PCB光板焊盤表面分析形貌及成分譜圖

 

圖7. 失效批次PCB光板焊盤褪金后表面分析形貌及成分譜圖

 

4.2 剖面分析

為了進(jìn)一步觀察焊盤鎳腐蝕狀況及探測(cè)鎳層P含量是否異常，對(duì)失效批次PCB光板焊盤切片后，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)截面形貌及成分進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如下：

截面分析顯示：①鎳層存在明顯鎳腐蝕特征，鎳腐蝕黑刺數(shù)量明顯超過(guò)10處，腐蝕深度達(dá)鎳層厚度的52.6％，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IPC 4552A-2017印制板化學(xué)鍍鎳/浸金（ENIG）鍍覆性能規(guī)范，該鎳腐蝕等級(jí)為3級(jí)，即拒收。②成分分析顯示，Ni層P含量屬高磷范疇；③金層厚度屬于正常范圍。

 

圖8. 失效批次PCB光板焊盤截面分析形貌及成分譜圖

 

5. 可焊性測(cè)試

為了確認(rèn)失效批次PCB光板焊盤上錫性是否滿足要求，對(duì)其進(jìn)行上錫性驗(yàn)證測(cè)試，結(jié)果如下：

如圖所示，失效批次PCB光板焊盤浸錫后，多處焊盤局部存在明顯不上錫現(xiàn)象，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

圖9. 失效批次PCB光板焊盤浸錫后外觀照片

 

三、總結(jié)分析

 

外觀檢查結(jié)果顯示：脫落界面均發(fā)現(xiàn)焊盤側(cè)脫落界面相對(duì)平整，表面顏色發(fā)黑；器件側(cè)界面呈多孔現(xiàn)象；未脫落器件PCB焊盤表面存在明顯潤(rùn)濕不良現(xiàn)象，焊盤顏色發(fā)黑異常。

 

表面分析結(jié)果顯示：①PCB焊盤側(cè)脫落界面相對(duì)平整，表面有助焊劑殘留，未見(jiàn)異常元素存在，排除焊盤污染對(duì)上錫不良的影響；② PCB焊盤側(cè)清洗后，脫落界面存在明顯泥裂狀裂鎳腐蝕現(xiàn)象。③器件側(cè)脫落界面存在大量空洞，表面有助焊劑殘留，脫落面成分主要為焊錫。

 

剖面分析結(jié)果顯示：

 

1）脫落焊點(diǎn)截面分析顯示：①焊點(diǎn)脫落發(fā)生在在PCB焊盤與焊料之間，表現(xiàn)為PCB焊盤潤(rùn)濕不良，呈虛焊特征，焊接界面未見(jiàn)明顯連續(xù)IMC結(jié)構(gòu)，僅局部存在少量IMC生成。②器件引腳側(cè)IMC生成正常，排除熱輸入不足的影響。③放大后觀察發(fā)現(xiàn)PCB焊盤存在連續(xù)帶狀鎳腐蝕，腐蝕深度比例為鎳層厚度的32.5％。

 

2）未脫落器件焊點(diǎn)截面顯示焊接面焊盤多處存在不潤(rùn)濕現(xiàn)象，PCB焊盤焊接界面IMC成分和界面結(jié)構(gòu)異常，焊接界面有連續(xù)鎳腐蝕現(xiàn)象，未形成有效焊接，影響焊點(diǎn)強(qiáng)度；界面處局部存在的金錫化合物在一定程度上會(huì)增加焊點(diǎn)的脆性。

 

3）正常樣品截面分析顯示：①PCB焊盤焊盤多處存在不潤(rùn)濕現(xiàn)象，焊接界面IMC成分和界面結(jié)構(gòu)異常，焊接界面存在連續(xù)鎳腐蝕現(xiàn)象，未形成有效焊接，影響焊點(diǎn)強(qiáng)度，同樣存在異常脫落的風(fēng)險(xiǎn)；界面處局部存在的金錫化合物在一定程度上會(huì)增加焊點(diǎn)的脆性。②器件側(cè)IMC結(jié)構(gòu)正常，IMC厚度約1.49~2.18µm，說(shuō)明熱輸入正常。

 

失效批次PCB光板焊盤表面分析顯示：焊盤表面未見(jiàn)明顯污染，褪金處理后表面明顯存在大量泥裂狀鎳腐蝕和針孔狀鎳腐蝕現(xiàn)象。

 

失效批次PCB光板焊盤剖面分析顯示：①鎳層存在明顯鎳腐蝕特征，鎳腐蝕黑刺數(shù)量明顯超過(guò)10處；腐蝕深度達(dá)鎳層厚度的52.6％，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IPC 4552A-2017印制板化學(xué)鍍鎳/浸金（ENIG)鍍覆性能規(guī)范，該鎳腐蝕等級(jí)為3級(jí)，即拒收。②成分分析顯示，Ni層P屬高磷范疇；③金層厚度屬于正常范圍。可焊性測(cè)試結(jié)果顯示：失效批次PCB光板焊盤浸錫后，多處焊盤局部存在明顯不上錫現(xiàn)象，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

以上結(jié)果可知，器件異常脫落的原因是焊點(diǎn)未形成有效焊接，直接原因?yàn)楹副P鎳層存在嚴(yán)重的連續(xù)性鎳腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致焊接過(guò)程中，焊錫無(wú)法與鎳層生成有效冶金結(jié)合層—IMC層，最終導(dǎo)致焊盤表面呈現(xiàn)黑色氧化鎳顏色。

 

綜上所述，PCBA焊點(diǎn)器件脫落異常的原因主要與PCB焊盤Ni層發(fā)生了連續(xù)性鎳腐蝕有關(guān)，導(dǎo)致基底Ni層無(wú)法與焊錫生成有效的冶金結(jié)合，即IMC層，最終導(dǎo)致器件焊點(diǎn)強(qiáng)度不足。

 

Ni層腐蝕主要是因?yàn)镻CB焊盤在浸金過(guò)程中，鎳層表面遭受過(guò)度氧化反應(yīng)。大體積的金原子不規(guī)則沉積，及其粗糙晶粒之稀松多孔，造成底下鎳層持續(xù)發(fā)生『化學(xué)電池效應(yīng)』(Galvanic effect)，進(jìn)而使得鎳層不斷發(fā)生氧化，導(dǎo)致在金面下生成未能溶解的鎳銹持續(xù)累積而成。

 

四、結(jié)論與建議

 

PCBA焊點(diǎn)器件脫落異常的原因主要與PCB焊盤Ni層發(fā)生了連續(xù)性鎳腐蝕有關(guān)，導(dǎo)致基底Ni層無(wú)法與焊錫生成有效的冶金結(jié)合，即IMC層，最終導(dǎo)致器件焊點(diǎn)強(qiáng)度不足；Ni層腐蝕的發(fā)生與PCB生產(chǎn)制程浸金工藝直接相關(guān)。

 

改善建議

加強(qiáng)PCB制程浸金工藝質(zhì)量控制，避免鎳腐蝕的發(fā)生。

 

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