PCBA上焊盘焊接不良原因分析

摘 要：PCBA上锡不良的现象，通过对失效焊盘进行表面观察、剖面分析、表面成分分析等手段查找失效原因。结果表明：由于失效焊盘在过炉前被氧化，焊盘表面沉锡层厚度急剧减薄，从而导致焊盘上锡不良。从而总结出在回流焊接工艺中PCBA焊盘上锡不良的原因由设计、材料、设备和工艺所合成的。

关键词：PCBA；上锡不良；表面SEM；FIB剖面

电子产品的无铅化以来，元件或PCB焊接端子上纯锡镀层被广泛应用，同时也伴随着锡须的诱发和生长就更加容易了。锡须的危害很严重，它可能直接与邻近的导体接触形成短路，导致产品失效，也可能因为锡须的生长导致底层IMC机械失效降低产品工作寿命。

1 对焊盘外观的检查

对失效样品进行外观检查，发现失效焊盘在PCB板上位置不固定，进行显微放大观察，焊盘表现为不上锡，失效焊盘如图1所示，焊盘表面未发现明显变色等异常情况。

2 对焊盘表面SEM分析

SEM分别对未过炉的焊盘、失效焊盘、过炉一次的焊盘进行表面微观观察，如图2所示。结果显示过炉一次焊盘和失效焊盘表面存在微小的凸起颗粒，表明沉锡层在过炉后表面生成锡须。晶粒粗大的镀层由于晶界数量少而可以抑制锡须的生长。表面亚光锡镀层可以减缓或抑制锡须的生长，反之，光亮纯锡镀层锡须风险高。结晶组织对锡须的生长有明显的影响。

3 焊盘FIB制样剖面分析

FIB对失效焊盘、过炉一次焊盘来进行制作剖面，再EDS对剖面表层进行成分线扫描，具体结果见图3～4。结果表明：失效焊盘在表层已经出现Cu元素，说明纯锡层中Sn已经基本完全与Cu形成锡铜合金。锡须是一个自发的过程，对于元器件铜引脚的纯锡镀层来说，生长锡须是绝对的，生长的快慢由镀层工艺、镀层材料、电镀设备和工艺等方面来确定。

4 分析与讨论

沉锡板焊盘的结构主要分为铜层、铜锡合金层、纯锡层及表层的氧化锡层，其中纯锡层可保证焊盘表面具有良好的润湿性。同时，也与应力有关，应力可分为内外两部分，内应力来自于不匹配的热膨胀系数（CTE）、表面的氧化物形成和扩散及锡的腐蚀等，金属间化合物的不规则生长形成的应力也可造成锡须的产生。温度对锡须生长具有决定性的影响，一方面提供能量影响原子扩散速度，同时材料的热胀冷縮性质又可让镀层内部应力松弛；外应力来自于机械弯曲、机械冲击等。

5 结论

由于过炉时加速铜与锡之间的扩散，使铜锡合金层加厚，同时加剧锡层被氧化，导致纯锡层变薄；尽管锡须问题很严重，很致命，但又不可避免。现有的电子组装工艺决定了焊接材料及焊接端子镀层都离不开金属锡。锡须的生长是一个自发的过程，对于元器件铜引脚的纯锡镀层而言，生长锡须是绝对的，而生长的快慢则可以从镀层工艺、镀层材料等方面采取必要的措施进行抑制，以减缓锡须的生长长度和密度。

6 建议

（1）使用活性更强的助焊剂，增强锡膏去氧化层能力。

（2）增加PCB板沉锡层厚度，保证在过炉一次后，锡层厚度仍能满足可焊性要求。

（3）增加氮气保护，降低焊盘表层氧化。

（4）结晶组织形态对锡须的生长有明显的影响，形态复杂，等轴结晶组织能有效地抑制锡须生长。

（5）所有焊盘引脚必须加入“热阻”设计，避免造成“冷”焊盘

参考文献

[1]李伏，李斌，辜小谨.沉锡PCB焊接失效分析方法[J].印刷电路信息，2014，3.

[2]PCBA Random Vibration Analysis using FEA Reliability Engineering Group.

[3]Cascade Engineering Services， Inc.

作者简介：吕俊杰（1969，02-），男，汉族，籍贯：湖北应城，职称：副教授，学历：研究生，单位：武汉职业技术学院电信学院，研究方向：电子技术。