无铅焊料热风整平印制板可焊性失效研究

李志成 陈伟才 马腾洋

（广州广合科技股份有限公司，广东 广州 510730）

失效分析是产品可靠性工程的一个重要组成部分。失效分析被广泛应用于确定研制生产过程中生产问题的原因，鉴别测试过程中与可靠性相关的失效，确认使用过程中的现场失效机理。从案例中总结经验，提出改进设计和制造工艺的建议，防止失效的重复出现，提高产品的可靠性。

1.1 可焊性

金属材料如铜、镍、金、银、锡等在一定的焊接工艺条件下，通过焊接形成优质接头的可能性称为可焊性。

焊接过程中，其焊料与被焊的金属在高温的作用下原子相互结合、渗透、迁移及扩散，形成一层金属间化合物（IMC），IMC的形成与形成后的质量直接影响焊接可靠性。

1.2 可焊性失效模式

印制电路板组装（PCBA）中可焊性失效模式主要有：润湿不良、立碑、裂纹、气孔、假焊、虚焊、不润湿和夹渣缺陷等。

2.1 助焊剂、焊料等原料的质量

焊接原料主要包括助焊剂、焊料。助焊剂应有足够的能力清除被焊金属和焊料表面的氧化膜。焊料是用来连接两种或多种金属表面，同时在被连接金属的表面之间起冶金学桥梁作用的金属材料。按照焊接对象和焊接条件要选择合适的焊料。

2.2 焊接工艺条件的影响

时间、温度要适当，加热均匀，通常情况下温度越高润湿性能越好，时间的长短会影响金属间化合物结构的形成。

2.3 PCB本身的质量

印制电路板（PCB）表面一定要保持清洁。如果PCB表面存在氧化层、灰尘和油污，会影响焊件周围合金层的形成。

2.4 产品的表面镀层

PCB 的表面涂饰层有热风整平焊料（HASL）、有机防氧化剂（OSP）、化学锡、化学银、电镀镍金、化学镀镍金等。不同镀层类型的可焊性是不同的，其中HASL是较好的。

3.1 收集信息

失效分析首先基于失效现象，进行背景资料的收集和分析样品的选择，通过信息资料收集、功能测试、电性能测试以及简单的外观检查，确定失效部位与失效模式，判断失效定位及故障定位。

3.2 分析技术

对于较为复杂的失效现象，不易观察的缺陷位置需要借助其他辅助工具来确定。包括使用显微镜进行外观检查、X射线透视检查、金相切片分析、热分析、显微红外分析、扫描电镜分析以及X射线能谱分析等。其中金相切片分析是属于破坏性的分析技术；
扫描电镜分析和X射线能谱分析有时也需要部分破坏样品。在分析的过程中还会由于失效定位和失效原因的验证的需要，可能使用如热应力、电性能测试、可焊性测试与尺寸测量等方面的试验技术。

3.3 试验验证

通过试验验证方法，对比分析等，可以找到准确的失效原因。如果条件允许还可进行模拟试验，再现失效过程，验证失效分析结果的可靠性。这就为下一步的改进提供了依据。

3.4 数据分析

根据分析过程所获得试验数据、比对分析、验证信息等证据和结论，编制失效分析报告。分析的过程中，要求数据真实、条理清晰，注意使用分析方法应该从简单到复杂、从外到里、从不破坏样品再到使用破坏的原则。只有这样，才可以避免判断错误得出错误的失效机理。

4.1 背景

热风整平无铅焊锡（HASL）PCB在经过SMT（表面封装技术）贴片焊接后，在焊盘（PAD）位置出现润湿不良，不良率为56.25%，如图1所示。

图1 焊盘位置出现拒焊不良图

4.2 焊接性不良缺陷板失效分析步骤

根据收集到的PCBA（印制电路板组装件）失效的状况，制定分析项目（如表1所示）。

表1 焊接性不良分析项目表

4.3 分析及验证

外观分析和一些工序验证叙述如下。

4.3.1 外观分析

从失效样品外观检查分析，样品焊接性不良主要集中在C面（BGA面），S面无不良点，同时经了解客户端SMT（表面贴装）是先做S面（一次回流），不良位置C面（BGA面）SMT是第二次回流，可焊性不良出现在第二次回流焊连接盘不润湿，有出现元器件偏离焊盘现象，如图2所示。

图2 焊接不良外观图

4.3.2 PCBA不良位置锡厚测量确认

对不良PCBA样品，润湿不良位置测量锡厚数据和测量位置见表2和图3所示，符合要求，锡厚数据偏下限值。

表2 锡厚测量数据表

图3 锡厚测量位置图

4.3.3 取样不良位置做边缘浸锡法可焊性测试（测试前后对比）

对不良PCBA不润湿位置重新取样做中性助焊剂（A型助焊剂）边缘浸锡测试，经观察上锡性良好。

4.3.4 PCBA不良位置元素分析确认

针对润湿不良焊盘（如图4所示），取3个位置做EDS（能散×线光谱仪进行）元素分析，铜含量正常（如图5所示），未见异常元素。

图4 不良焊盘元素分析位置图

图5 不良焊盘元素分析数据表图

4.3.5 PCB的HASL返工确认

因HASL过程中会出现锡溶铜问题，一般正常HASL一次会出现1～3 μm溶铜量，通过切片确认阻焊下铜厚及HASL下铜厚差异，焊接过程溶铜量约2 μm，通过切片分析阻焊下铜厚51.45 μm，HASL位置下铜厚47.80 μm，两者铜厚差异3.65 μm，故可判断过程应未出现返工问题。

4.3.6 切片确认热风焊料整平后IMC层厚度及连续性

通过SEM观察不良焊盘位置IMC层呈连续状，但由于锡厚处于下限边缘（1.5～2.1 μm）导致锡层全部IMC化。又通过切片分析（如图6所示），锡厚较薄位置全部已形成IMC层，润湿性极差；
PCB锡厚度在8 μm位置IMC层上方还有良好的锡面，润湿性好，主要原因为锡层薄致热风焊料整平层合金化不润湿缩锡。

图6 焊盘位置IMC层图

4.3.7 库存裸板PCB验证分析

取库存PCB板做离子污染测试结果合格（如表3所示），进一步证明裸板PCB未受到外物污染导致可焊性不良。

表3 离子污染测试数据

4.3.8 PCBA不良位置对裸板PCB对应位置锡厚测量

对照PCBA上限不良位置，通过5点法测量裸板锡厚（如图7所示），测试结果基本符合规范要求，见表4所示，规格要求1～40 μm，仅有个别锡厚偏下限。

表4 裸板锡厚数据表（单位：μm）

图7 锡厚测量点图

4.3.9 中性及酸性边缘浸锡法可焊性测试

取库存PCB 2pcs过无铅回流焊2次，模拟客户SMT贴片正反面各一次，再取样做可焊性测试得出结果为：（1）中性助焊剂（A型号）：经显微镜下观察BGA位置连接盘有较多点不上锡，如图8所示；
（2）酸性助焊剂：经显微镜下观察也有个别点上锡不良。

图8 回流焊润湿不良图

4.3.10 元素分析确认

针对PCB裸板，参照PCBA不良位置进行EDS元素分析，未见异常元素（如图9所示），铜含量正常。

图9 裸板元素分析数据图

4.4 分析结果汇总说明

分析结果汇总说明如表5所示。

表5 分析结果汇总表

（1）综合以上分析对比数据，PCBA：拒焊焊盘位置IMC层呈连续状，但由于锡厚处于下限边缘（1.5～2.1 μm）导致锡层全部IMC化。PCB：光板锡厚在1～2 μm位置全部已形成IMC层，润湿性极差；
光板锡厚度在2 μm以上位置IMC层上方还有良好的锡面，润湿性较好，造成PCBA上锡后拒焊主要原因为锡厚薄导致HASL层拒焊不润湿。

（2）无铅HASL板以SAC305为主要用材，PCB在客户端上件第一面回流焊时与其锡膏的润湿性还算良好，但第二面回流焊时出现严重拒焊不润湿现象。

（3）HASL板在过程中就生长了Cu6Sn5的IMC层，PCB在客户端上第二面回流焊时已经是第三次生长IMC层，由于客户端上件第二面回流焊时锡膏所面对的HASL层中已无纯锡成分（由于锡厚处于下限边缘），全靠IMC的五成焊锡性，故导致不润湿现象。

（4）严格控制HASL厚度在中值，且降低锡炉温度（因温度越高IMC生长越快且越松散）。