焊盘可焊性不良原因分析

焊盘可焊性不良原因分析

      本文通过对一典型的热风整平处理的焊盘可焊性不良的原因分析，介绍了可焊性不良的基本分析程序与手段。同时发现导致该类型不良的原因不是通常所认为的镀层表面污染或厚度不足的问题，而是热风整平的工艺控制不当，导致焊盘表面焊锡已经几乎完全金化，表面的锡铜的金属间化物代替了本应该是的焊料，最终导致可焊性严重下降。                      

      为了保持 PCB 焊盘在焊接组装时仍然具有良好的可焊性，通常都需要在焊盘铜箔的表面进行表面处理。典型的表面处理方式有化学镍金、电镀镍金、化学浸银、有机可焊性保护层（OSP）、化学镀锡或电镀锡、热风整平（HASL）等等，这些表面处理方式在可焊性保持时间、成本、可焊性以及可制造性等方面各有优缺点。由于电子产品在向小型化、多功能化等方向快速发展，PCB 也相应的向小型化、高密度方向发展，同时由于电子组装越来越多的采用表面贴装的方式以及其对 PCB 焊盘平整度的要求， PCB 的表面处理方式也越来越多的采用化学镍金。但那些通用的家电产品以及大型的通讯设备的主板由于其小型化的要求并非严格，成本反而是一个重要的考量要素的时候，这些电路板将大量使用 OSP 以及HASL 的表面处理方式，相比之下，用 HASL 处理的焊盘表面就是焊锡，与线路板组装焊接时使用的焊锡具有很好的兼容性，因此，HASL 处理的焊盘的可焊性与可靠性似乎更有保证。但是 HASL 处理的PCB 也有明显的缺陷，即由于焊锡的表面张力的影响导致焊盘表面平整度差，高密度贴装的时候影响焊锡膏的印刷进而影响组装质量；另外就是 HASL 工艺中 PCB 需要经过高温熔融的焊锡，其基材必然收到损伤，特别是无铅化后 HASL 工艺使用的温度更高，以满足使用更高熔点的无铅焊锡后表面处理的效果。由于成本的原因，目前主要的无铅 HASL 处理主要使用的是锡铜系列的无铅共晶焊料，因此 HASL 的工艺温度往往要在 260 度以上。本以为 HASL 的优势是其具有良好的可焊性，但是我们最近却常常遇到了较多的 HASL 表面处理的 PCB 可焊性不良的质量案例，造成了 PCB 用户的严重的损失，进而导致了供需双方的质量纠纷。本文将介绍 HASL 焊盘可焊性不良的一个典型的案例，并介绍分析这一不良原因的分析过程，为业界采取有效措施避免类似问题提供依据或参考。

1 背景描述

      一大批无铅 PCB 在用 SMT 工艺经回流焊组装成 PCBA 时，在板面的多处地方出现了润湿不良的问题，润湿不良的焊点分布没有规律。组装时所用的焊锡膏等物料都没有变化，据调查工艺参数也一直在受控范围。用户怀疑 PCB 存在质量问题，只好暂时停产待查原因，以便整改。需要说明的是该 PCB 的表面处理是热风整平，整平所用的焊料是锡铜镍共晶合金。

         图.1 润湿不良的PCBA（左）及其典型不良的焊点（右）

2 分析的过程

2.1 外观检查

      用光学立体显微镜分别检查了 PCBA 上的不良焊点和同批次的 PCB 裸板对应焊盘的外观特征. 结果发现不良焊点中的焊锡回流后对元器件的引脚浸润良好，而对焊盘的浸润很差，有的焊盘甚至 40%的面积仍然裸露没有浸润，从焊点焊锡的表面光泽度看，焊锡的熔化状况和回流的工艺参数应该没有问题， 主要的原因应该定位在 PCB 的焊盘的可焊性存在质量问题。在用显微镜观察裸板的焊盘表面，我们还发现焊盘的表面平整度不好，呈现凹凸不平滑的异常现象。

2.2 扫描电镜与能谱分析

      用扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）分析 PCBA 是上锡不良的区域，发现不良区域的焊盘表面有一些残留物，通过其外观特征及其元素成分（见图 3）判断，这些残留物应该是焊锡膏回流后的助焊剂残留。用有机溶剂清洗该不良区域后再用电镜观察和能谱分析，结果发现这些残留物很容易清洗干净， 但是裸露出来的未上锡的焊盘表面结构显示该镀层均已经合金化，即焊盘的镀层均为锡铜的金属间化物

（详见图 4），能谱成分分析的结果进一步证实了我们的判断。综合清洗前后的结果可以推断该焊盘的润湿不良与污染无关。

?2.3 切片分析

      对不良焊点进行切片分析，并用 SEM 进行观察，进一步证实未润湿上锡部分的镀层均已经金属化， 生成了明显的锡铜的金属间化物（图 5）。对同一批次的裸板的焊盘进行类似的分析也发现，焊盘上喷锡厚度不均匀，薄的地方已经全部金属化，生成了金属间化物（图 6）。即焊接润湿不良的焊盘表面在组装焊接前都已经是金属间化物。而表面覆盖金属间化物的焊盘的可焊性自然显然很差。从镀层的截面看，包括金属间化物的典型的镀层厚度最小一般有 1.5 微米，最大的约 9.4 微米，由此镀层表面呈现凹凸不平的迹象。遗憾的是在薄的区域基本上都已经形成了可焊性差的金属间化物。

                   图.5 典型的不良焊点的截面的电镜照片

图.6 PCB裸板的焊盘截面的典型SEM照片与能谱分析结果

（注：能谱图上的Au是方便测试而人为所喷的金.）

3. 综合分析与结论

      通过以上的各种分析，发现润湿不良的焊盘表面镀层质量不均匀，焊锡镀层厚度差异很大，部分镀层薄的区域已经在焊接前都已经金属化，生成了可焊性极差的锡铜金属间化物。这层金属间化物应该是在热风整平的工艺过程中形成的，熔融的焊锡与 PCB 的铜箔扩散形成，而本来金属间化物表面应该有的焊锡镀层则被过高温度或压力的热风刮除，只留下较硬的金属间化物层。因此，焊盘镀层表面的过度金属化的原因应该是热风整平工艺中 PCB 过长时间的浸锡时间和过高压力和温度的热风刀造成，与镀层本身的厚度无关，也与污染无关。

4 结束语

      很多时候人们往往将焊盘可焊性差的原因归结于可焊性镀层过薄，或镀层表面受到阻焊的有机污染物污染，这种情况对于电镀或化学镀形成的镀层可能是对的。但对于 HASL 的表面处理而言，这样的推理却往往不正确。从本案来看，镀层表面过度的合金化，表面覆盖物都是金属间化物而没有可焊的焊锡， 同样可以导致后续的焊接不良，而这样的不良在以前往往被许多人认为是镀层过薄造成的。要知道， HASL 处理的可焊性镀层的厚度是没有标准要求，只是需要镀层被焊锡覆盖并可焊即可。本案例可以给PCB 的表面HASL 处理工艺的质量保证提供较好参考，以避免类似问题的再度出现。