2021-05-31

可靠性试验-可焊性不良失效分析系列案例

  印制电路板(PCB)表面连接盘是PCB 线路与外部元器件连接的端点,连接方式有焊接、压接、铆接和粘接等,目前主流的焊锡接合(Solder Bonding)是PCB上连接各种元器件,实现电气功能最常用的连接方式。
 
  PCB连接盘都是铜导体,最终都要进行表面涂覆处理(包括有机防氧化涂层(OSP)、热风整平(HASL)、化学镀镍浸金(ENIG)、化学浸锡(ISn)、化学浸银(IAg)、电镀镍金等),目的是保护连接盘铜面不被污染、氧化,提高可焊性和结合力。
 
  对于喷锡板和沉锡板,在完成表面处理后,铜与锡之间均会形成一定厚度的铜锡合金层(IMC),当焊盘局部位置锡层厚度过薄时,就可能产生IMC层裸露在焊盘表面的情况,即表面合金化,IMC层是铜与锡之间的过渡层,它的出现表明未出现虚焊的情况,但其润湿性较差,一旦裸露在焊盘表面,则容易引起可焊性不良。
 
  现对一例表面合金化导致的可焊性失效案例进行分析。
 
  1 样品描述
 
  可靠性试验设备
 
  同型号回流后的PCBA和浸锡实验后的PCB均存在局部焊盘缩锡现象。
 
  图1不良PCBA和PCB外观图
 
  2 数据分析
 
  2.1 金相显微镜观察
 
  可靠性试验设备
 
  采用金相显微镜对不良PCBA缩锡位置和同型号PCB焊盘进行观察,见图2:
 
  图2 不良板客诉位置和库存板焊盘金相观察
 
  根据上图可以看到,PCBA有明显的缩锡现象;而同型号的PCB焊盘锡面颜色不均,边缘疑似锡薄。
 
  2.2 锡厚测量
 
  可靠性试验设备
 
  采用X-Ray测厚仪,对PCB锡厚进行测试,结果如表1所示:
 
  如表1所示,存在明显的锡厚不均现象,锡厚位置的厚度满足工艺要求,而锡薄位置低于工艺要求。
 
  2.3 表面微观形貌观察和元素分析
 
  可靠性试验设备
 
  采用扫描电子显微镜和X射线能谱仪,对PCBA缩锡位置表面和同型号PCB焊盘表面进行微观形貌观察和元素分析,如图3所示:
 
  图3 PCBA缩锡位置和未经回流的PCB焊盘表面微观形貌观察和元素分析
 
  从以上微观形貌和元素分析结果可以看到,PCBA缩锡位置和同型号PCB焊盘均主要包含O、Cu和Sn元素,而无异常元素存在。两者均分析出了Cu元素,可能存在IMC(Cu-Sn合金层)裸露在表面的情况。
 
  2.4 IMC和锡厚观察
 
  可靠性试验设备
 
  采用扫描电子显微镜对PCB焊盘的IMC和锡厚进行观察,如图4所示:
 
  图 4 库存板焊盘IMC和锡厚观察
 
  由上图可知,PCB焊盘锡层存在中间厚边缘薄的现象,中间锡厚位置IMC为2.70μm,边缘锡薄位置IMC为2.34μm,且已生长至焊盘表面,没有可焊接的锡层。
 
  3 综合分析
 
  以上数据分析,总结如下:
 
  (1)  PCBA出现缩锡现象,同型号PCB浸锡也出现同样的现象;
 
  (2)  PCBA缩锡位置未见明显杂物污染,同型号PCB焊盘锡面颜色不均,存在锡厚不均现象,且锡薄位置锡厚低于工艺要求,有IMC裸露的风险;
 
  (3) PCBA缩锡位置和同型号PCB焊盘表面元素分析,均未发现异常元素,但是均分析出了Cu元素,可能是IMC生长至焊盘表面所致;
 
  (4)PCB焊盘IMC观察,发现存在中间锡厚边缘锡薄的现象,且边缘IMC已生长至表面,无可焊接锡层。
 
  4 分析结论
 
  PCB焊盘锡厚不均,锡薄位置IMC生长至焊盘表面,无可焊接锡厚,导致了可焊性不良。

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