PCBA焊點失效分析與改進策略 | “葡萄球”效應揭秘

葡萄球效應，是指在SMT焊接過程中，部分錫膏沒有完全熔化并融合在一起，而是形成了一顆顆獨立的錫珠，這些錫珠可能堆疊在一起，外觀上類似于葡萄串。焊點表面顆粒狀、灰暗、不光滑、粗糙是其主要特征。

我們在某PCBA焊點上發現“葡萄球”現象，焊盤表面處理方式為噴錫工藝，對NG PCBA 3pcs，A、B、C三款錫膏和3pcs OK PCBA進行測試分析，查找失效原因。

如圖1所示，NG PCBA部分引腳焊點明顯呈現“葡萄球”現象，且焊點周圍存在零散的錫珠。

圖1. NG PCBA外觀典型圖片

測試分析

1 表面分析

對NG PCBA“葡萄球”焊點（酒精清洗后）表面進行顯微分析，結果如下：

如圖2和表1所示， 失效區域焊點表面不平整，呈明顯凸出形貌，“葡萄球”主要成分為C、O、Sn，未發現明顯異常元素存在。

圖2. NG焊點表面形貌

表1. NG焊點表面EDS結果（wt.%）

2 切片分析

如圖3和表2所示，NG焊點表面粗糙，呈凹凸不平狀，“葡萄球”呈半島狀，為錫膏的不完全熔融潤濕所致。從成分來看，“葡萄球”區域與焊料內部成分無明顯差異。

一般而言，“葡萄球”的產生與錫膏表面氧化物未能及時去除有關。錫膏表面氧化物的去除主要與以下因素相關：①錫膏助焊劑活性不足；②錫粉自身氧化嚴重。

圖3. NG焊點切片微觀結構

表2. NG焊點切片EDS結果（wt.%）

3 氧化膜厚度分析

如圖4和表3所示，3pcs NG錫粉氧化膜厚度均不超過10nm，屬于正常范圍，說明“葡萄球”現象的產生與錫粉本身的氧化無關。

圖4. A款錫粉AES測試位置及圖譜典型圖片

表3. A款錫粉深度分布成分測試結果(At%)

4 PY-GCMS分析

通過PY-GCMS測試發現，在焊接條件下NG樣品與OK樣品裂解揮發產物主要成分及其含量存在差異，其中NG樣品裂解揮發產物中2-甲基-1-（4-甲硫基苯基）-2嗎啉基-1-丙酮（光引發劑907）明顯比OK樣品的含量高。該光引發劑活性較高，是不穩定的引發劑。助焊劑中主要成分為松香類物質，而松香中含有乙烯基雙鍵，907光引發劑生成的自由基能量很高，能輕松打開松香中的乙烯基雙鍵。松香的主要作用就是去除氧化膜，并且防止焊料氧化；揮發物中大量的光引發劑的存在將會嚴重降低助焊劑的去除氧化膜和防止氧化的能力，從而導致焊料氧化，致使焊料產生“葡萄球”現象。

圖5. NG樣品PY-GCMS測試結果譜圖

表4. NG樣品 PY-GCMS測試結果

相對含量是采用峰面積歸一化法計算得出，不代表該物質在樣品的實際含量，僅供參考。

圖6. OK樣品PY-GCMS測試結果譜圖

表5. OK樣品 PY-GCMS測試結果

相對含量是采用峰面積歸一化法計算得出，不代表該物質在樣品的實際含量，僅供參考。

由此可見，導致焊點出現“葡萄球”失效的主要原因為焊接條件下助焊劑活性下降，而導致焊接過程中助焊劑活性下降的原因為焊接條件下PCB板裂解揮發產物會與助焊劑發生“失活”化學反應。不同廠家的助焊劑成分有差異，對2-甲基-1-（4-甲硫基苯基）-2嗎啉基-1-丙酮的抵抗程度不同，所以表現出來的性能會有所差異。不同廠家的PCB固化程度不同，過爐過程中揮發出的產物不同，成分不同，所以對助焊劑的影響程度不同，所以表現為“葡萄球”現象與PCB相關。

結論

總結：

導致焊點出現“葡萄球”失效的主要原因為焊接條件下助焊劑活性下降，而導致焊接過程中助焊劑活性下降的原因為PCB板裂解揮發產物與助焊劑發生“失活”化學反應。

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