印制电路板焊锡金不熔的失效分析及改善

邱成伟 刘新发 赵 强

（惠州中京电子科技有限公司，广东 惠州 519029）

0 前言

我公司一款硬盘储存类印制电路板在客户端组装生产过程中出现严重的上锡不良，局部存在明显现象，其表现的最明显特征为“金不熔”。我司对客户端出现的上锡不良板取5块以及同周期的未进行焊接的印制电路板同样取5块进行分析，其中分析手段包括：（1）外观检查；（2）扫描电子显微镜和能谱元素探测仪对已焊接失效和未焊接的印制电路板表面进行分析；（3）剖面微切片做金相显微镜分析；（4）未焊接的光板分析、（5）AES（俄歇电子能谱）元素分析；（6）不良焊盘上锡性分析；（7）未焊接光板上锡性分析；（8）改善研究；（9）封孔剂对可焊性的影响；（10）金层对可焊性的影响。

1 外观检查

利用金相显微镜，对焊锡不良位置进行外观检查，结果如图1所示，已焊接不良的印制电路板多处焊盘位置明显发现上锡不良现象，表现为焊盘润湿不良、焊盘露金异常。

图1 焊盘润湿不良

2 表面分析

为了确认不良焊盘表面是否存在异常元素及观察润湿不良位置形貌及成分，对不良焊盘清洗后（酒精+超声波）进行形貌观察及成分分析，结果如图2、表1所示。

图2 润湿不良位置形貌

表1 不良焊盘表面成分

3 剖面分析

为了观察上锡不良焊盘截面形貌，对上锡不良焊盘进行剖面分析，结果如图3、表2所示，上锡不良位置表面平整，未发现明显焊锡残留，与表面观察结果一致。镀层放大倍数观察后未发现有明显的镍腐蚀现象，即可排除镍层腐蚀对焊盘上锡不良的影响。

表2 不良焊盘剖面成分

图3 不良焊盘剖面观察

4 未焊接印制电路板光板分析

4.1 焊盘表面及剖面分析

为了确认未焊接的印制电路板光板镀层是否存在异常，对未焊接的印制电路板焊盘进行表面分析及剖面分析，结果：

（1）表面分析：如图4所示，未焊接的印制电路板焊盘表面形貌未见明显污染和镍腐蚀现象；如表3能谱元素EDS分析，焊盘表面含有碳、氧、磷、金、镍元素，未发现有异常元素存在。

图4 表面分析图

（2）剖面分析：如图5所示，未焊接印制电路板光板焊盘切片后，局部位置存在轻微镍腐蚀现象，但此现象并不能导致焊盘出现大面积金不熔的现象。能谱EDS元素显示镍层磷含量为9%～9.5%之间，属于正常范围。能谱元素EDS如表3所示。

表3 未焊接焊盘成分（%）

图5 剖面分析图

4.2 焊盘金厚测量

焊盘缩锡区域的化学成分无明显异常，未发现外来元素。剥离金层后镍面结晶正常，镍层中磷含量满足规范，无镍面腐蚀的现象。后对缩锡部位焊盘清洗后焊料仍无法润湿。综合分析，怀疑金层本身存在问题，同时如表4、表5所示，金厚已低于0.025 μm。

表4 已焊接不良板的未焊接焊盘金厚测量数据（μm）

表5 未焊接板的焊盘金厚测量数据（μm）

4.3 俄歇电子能谱定性定量分析

由于怀疑金层本身存在问题，因此需要使用了一种浅表分析方法 AES（俄歇电子能谱），俄歇电子能谱技术（Auger Electron Spectroscopy，AES），通过俄歇电子的能谱检测和数量来进行定性定量分析。AES应用于鉴定样品表面的化学性质及组成的分析，其特点在俄歇电子对极表面甚至单个原子层，仅带出表面的化学信息，具有分析区域小、分析深度浅和不破坏样品的特点，广泛应用于材料分析以及催化、吸附、腐蚀、磨损等方面的研究。

（1）俄歇电子能谱分析（AES）。

①当产品表面存在微小的异物，而常规的成分测试方法无法准确对异物进行定性定量分析，可选择AES进行分析，AES能分析≥20 nm直径的异物成分，且异物的厚度不受限制（能达到单个原子层厚度，0.5 nm）；②当产品表面膜层太薄，无法使用常规测试进行厚度测量，可选择AES进行分析，利用AES的深度溅射功能测试≥3 nm膜厚厚度；③当产品表面有多层薄膜，需测量各层膜厚及成分，利用D-SIMS（动态二次离子质谱）结合AES能准确测定各层薄膜厚度及组成成分。

（2）为了确认上锡不良焊盘及未焊接的印制电路板光板焊盘的表面成分状况

现通过AES对上锡不良焊盘（酒精+超声波清洗后）、未焊接印制电路板光板进行测试，结果如图6、表6、表7所示，溅射深度参照硅片溅射速度进行计算得出。

表6 焊接不良板焊盘表面清洗后AES测试结果(At.%)

表7 未焊接板焊盘表面AES测试结果(At.%)

图6 AES分析图

（3）上锡不良焊盘深度0～9.6 nm范围，主要含有较高的碳、氧、镍元素；深度19.2 nm，探测到金元素，随着深度的增加，金元素又逐渐降低。

以上规律说明，金层内部已经存在较高含量的镍，高镍的存在影响了金层化学特性。金镍互溶的直接影响有两点：（1）元素金的化学特性消失，镀层表面能增大，润湿力减小；（2）镍原子向金层中扩散导致镍原子与氧气接触的概率增大，氧化镍本身可焊性差，进一步恶化镀层可焊性。

（4）未焊接印制电路板光板。距离未焊接印制电路板焊盘表面深度4.8 nm，开始检测到镍元素；距离焊盘表面深度14.4 nm，无金元素存在。测试结果显示金层厚度偏薄（0.025 μm=2 5 nm），IPC标准为金厚在50～100 nm之间，才能保证焊接表面拥有优良的润湿性能，但由于更多的终端为了节省成本，会按25 nm的金厚制作，当沉金出现管制偏差及金厚测量仪出现误差时，会最终导致无多余的金保护镍层。在本应纯金层的区域已出现了镍/磷元素，产生了金/镍互溶体，金层区域出现了异常，尽管从焊盘表面观察仍旧“金光闪闪”，但已非我们熟知润湿性极好的金面。互溶的原因：金/镍互溶其本质就是镍扩散到了金层，表面物化性能发生变化，表面能、反应驱动力均改变，难以溶于焊料，最终的结果就是金层不熔，缩锡。

镍扩散的主要来源：①沉金液中镍离子超标，金层中夹杂镍离子；②镍层原子扩散，由于金原子尺寸远大于镍原子，提供了镍扩散的路径，而具体的扩散速度与扩散时间、温度相关；③金层厚度过薄，对镍扩散提供了方便。

5 不良焊盘上锡性验证

为了进一步确认焊盘可焊性，对上锡不良位置清洗后（酒精+超声波）进行浸锡试验，并观察浸锡前后焊盘润湿状况，如图7所示。

图7 清洗前后焊盘润湿状况

不良焊盘经过清洗并浸锡后，焊盘仍存在上锡不良现象，这侧面证实了AES分析结果的正确性，即焊盘金层的金镍互溶严重影响可焊性，这种不良无法通过清洗或者改变焊接条件来得到优化。可焊性测试条件：锡炉温度255 ℃、浸锡时间5 s。

6 未焊接印制电路板光板上锡性验证

为了验证未焊接PCB光板焊盘的上锡状况，对与焊接不良的PCB同批次光板进行浸锡验证，结果如图8所示，不良同批次光板浸锡后，发现部分焊盘上锡不良现象，同样表现为金层未溶入焊锡，与焊接不良的PCB失效现象一致。

图8 光板浸锡后

7 改善研究

（1）试验封孔剂对金厚偏薄板的补救措施将与焊接不良同周期的PCB光板进行清洗烘干后，做盐雾测试24 h，发现过封孔剂与未过封孔剂均有严重腐蚀现象，如图9所示。

图9 光板封孔剂试验

（2）将与焊接不良同周期的PCB光板进行清洗烘干后，加镀至金厚0.03 μm再做盐雾测试24小时，结果过封孔剂与未过封孔剂均有无腐蚀现象，如图10所示。

图10 加镀金光板封孔剂试验

（3）取与焊接不良同周期的PCB光板，进行清洗后，1块浸泡封孔剂、1块不浸泡封孔剂做浸锡测试，发现未浸泡封孔剂的板上锡性较差。取与焊接不良同周期的PCB光板，在化金前处理只开磨板和喷砂，加镀金厚至0.03 μm后其中1块浸泡封孔剂，另1块不浸泡封孔剂作浸锡测试，发现两者上锡饱满无明显差异，如图11所示。而喷砂处理对上锡性无明显帮助。

图11 喷砂处理对上锡性试验

封孔剂是采用了分子识别技术，结合了超技术和纳米修复技术，针对镀层晶格缺陷等一些问题所导致的金层下面的镀层易受攻击，通过表面清洗、渗透交换、逐层修复和自主成膜等手段从根本上解决了镀层隐患，能满足高温回流焊后的可焊锡性。

8 结论

（1）综合全部分析判定失效现象为组装生产过程中焊盘出现严重的上锡不良现象，局部存在明显的缩锡，外观检查发现，不良板表现为焊盘润湿不良、焊盘露金异常。表面分析及可焊性验证结果显示：不良焊盘表面未发现异常元素，同时不良焊盘经清洗后重新浸锡仍不上锡，故排除外来污染对焊盘上锡的影响。

（2）剖面分析结果显示：上锡不良位置表面平整，未发现明显焊锡残留。镀层放大后，未发现明显镍腐蚀现象，排除镍层腐蚀对焊盘上锡不良的影响。

（3）未焊接光板镀层分析结果显示：焊盘表面含有碳、氧、磷、金、、镍元素，未发现异常元素存在。焊盘切片后，局部位置存在镍腐蚀现象，但此现象并不能导致焊盘出现大面积金不溶现象。镍层磷含量为9.0%～9.5%，属于正常范围。

（4）AES分析结果显示：上锡不良焊盘表面深度0～9 nm范围，主要含有较高的碳、氧、镍元素；深度19.2 nm，探测到金元素，随着深度的增加，金元素又逐渐降低。以上规律说明，金层内部已存在较高含量的镍，高镍的存在影响了金层化学特性。金/镍互溶的直接影响有两点：（1）元素金的化学特性消失，镀层表面能增大，润湿力减小；（2）镍原子向金层中扩散导致镍原子与氧气接触的概率增大，氧化镍本身可焊性差，进一步恶化镀层，根本为金层厚度过薄导致。

（5）通过浸泡封孔剂的方式可以减缓镍层氧化速度，可进一步改善可焊性问题，但最终的根本解决原因还是需要将金层制作大于0.03 μm才能确保镍层被保护良好，不受高温氧化影响。