PCB銅線柱脫落 | 分析揭秘焊點脆性斷裂根源

背景

在電子設備微型化、復雜化趨勢下，PCB成為電子元件連接的核心。PCB精密布局的銅線網絡如同電子世界的神經脈絡，高效傳導信號并分配電源。然而，面對銅線脫落這一挑戰，它不僅侵蝕了電路板的可靠性，還可能成為設備性能崩潰的導火索。

我們通過端頭銅線柱脫落的現象查找背后的原因，經過體視顯微鏡檢查排除了潤濕不良和異物殘留的因素，發現脫落界面平整未見明顯異物殘留現象且呈脆性斷裂，排除潤濕不良對銅線柱脫落的影響；現通過專業儀器進一步測試分析，查找銅線柱脫落的原因。

測試分析

1 表面分析

利用SEM+EDS對NG1脫落界面進行觀察分析，結果如圖1及表1所示。

脫落界面平整，呈明顯脆性斷裂形貌。界面主要含有C、O、P、Si、Sn、Ni元素，未發現異常元素存在。PCB側界面為Ni-P層，銅柱側界面為鎳錫合金層，初步推測焊點開裂界面位于PCB側。

圖1. NG1開裂界面SEM圖片及EDS能譜圖

表1. NG1脫落界面成分測試結果（wt.%）

2 剖面分析

對開裂NG2進行切片處理，利用SEM+EDS對切片后截面進行觀察分析，確認開裂界面位置及觀察界面IMC生成狀況，結果如圖2-3及表2所示。

切片結果顯示：①焊點脫開界面位于PCB側Ni-P層與鎳錫合金（IMC）之間，與表面分析結果一致；②放大后，界面IMC厚度在2.32um-4.20um之間，厚度偏厚；③富磷層厚度在456nm-496nm之間，厚度嚴重偏厚。

富磷層本身呈脆性，偏厚的富磷層將使焊接界面脆性顯著增加，進而導致焊點沿富P層位置脆性開裂。

圖2. NG2切片后截面SEM圖片

圖3. NG2開裂界面SEM圖片及EDS能譜圖

表2. NG2開裂界面成分測試結果（wt.%）

3 PCB光板分析

利用SEM+EDS對PCB光板焊盤鍍層進行觀察分析，結果如圖4及表3所示。

PCB光板焊盤表面放大后，未觀察到明顯異常現象。切片后，Ni-P層局部位置存在開裂現象。成分測試結果顯示，Ni層P含量在8.5 wt.%-9.8 wt.%之間，屬中磷范圍。

圖4. PCB光板焊盤SEM圖片及EDS能譜圖

表3. PCB光板焊盤成分測試結果（wt.%）

結論

分析

富磷層的生成是焊接過程鎳/錫相互擴散的結果，影響富磷層厚度的主要因素包括：①焊接熱輸入過量；②鎳層P含量偏高；③鎳層致密度偏低。

總結

銅線柱脫落的原因為：PCB側富磷層過厚，IMC形貌異常且厚度偏厚，使焊接界面脆性增加，最終導致焊點脆性開裂。

建議

1.調節爐溫曲線（適當降低峰值溫度或縮短回流時間），減少熱輸入；

2.增加焊接質量評估，合理管控界面IMC質量和富磷層厚度。

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