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化银板焊接不良失效分析

2022-09-27  浏览量:8

 

引言

 

化银板具有表面平整度高、可焊性强、制程简单等优点,是主要的PCB表面处理工艺之一。然而,其储存要求高、易受污染、易出现空洞影响焊接强度等问题常导致产品出现失效现象,影响产品可靠性,增加生产成本。

 

本文以化银板焊接不良为例,通过外观观察、表面分析、切片分析、成分分析、上锡验证等方法,分析其上锡不良原因与失效机理,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

SMT制程后发现个别化银焊盘存在上锡不良问题,不良现象仅集中于固定几个焊盘,并未表现为整板不良。现进行测试分析,查找PCBA波峰焊点上锡不良的原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

利用体视显微镜对上锡不良焊点进行光学检查,结果如图1所示。

除指定焊点位置发现润湿不良现象外,其他位置焊点也发现润湿不良现象,主要表现为退润湿及不润湿异常。

 

上锡不良焊点外观检查照片

图1. 上锡不良焊点外观检查照片

 

2. 表面分析

利用场发射电子扫描显微镜对NG PCBA润湿不良位置进行形貌观察及成分分析,结果如下。

不良位置1:如图2所示,形貌观察及成分分析显示:润湿不良表面平整,无明显焊锡残留,表面存在助焊剂残留现象;EDS分析显示,润湿不良表面存在C、O、Ag、Sn、Cu及少量Mg元素,大量Ag元素存在,说明Ag层未溶入焊料中;润湿区与不润湿交界位置发现孔洞现象。

 

不良位置1形貌观察及成分分析结果

图2. 不良位置1形貌观察及成分分析结果

 

不良位置2:如图3所示,形貌观察及成分分析显示:润湿不良表面平整,无明显焊锡残留;润湿不良表面发现较多孔洞分布,对孔洞及周围成分分析显示,孔洞内Ag含量只有1.3%wt。

 

不良位置2形貌观察及成分分析结果

图3. 不良位置2形貌观察及成分分析结果

 

3. 剖面分析

将润湿不良位置切片后,利用场发射电子扫描显微镜对截面形貌进行观察分析,结果如下。

不良位置1:如图4所示,切片结果显示:润湿区域IMC生成良好,平均厚度正常,说明焊接热输入正常,局部IMC位置还发现较多空洞存在;润湿不良区域发现Ag层未溶现象,同时Ag下铜层发现连续空洞异常(银下连续性空洞是不可接受的),空洞位置未见明显异常元素存在;润湿区与不润湿区交界位置,因铜层空洞影响,降低了焊锡的铺展能力。

 

不良位置1切片后截面形貌观察及成分分析结果

图4. 不良位置1切片后截面形貌观察及成分分析结果

 

不良位置2:如图5所示,切片结果显示:润湿不良表面孔洞位置切片后,发现铜层凹坑现象,同时凹坑内发现银层残留,该现象说明沉银之前,该处铜层已经存在凹坑现象;银层残留的铜层凹坑处存在C、O、Ag、Cu元素,C含量15.6wt%,推测沉银之前铜箔表面存在污染;润湿不良区域,银层下面同样发现铜层空洞现象,成分分析显示,银层及下面铜层空洞处含有C、O、Ag、Cu元素,个别铜层空洞C含量为55.7wt%,推测沉银之前铜箔表面存在污染。

 

不良位置2切片后截面形貌观察及成分分析结果

图5. 不良位置2切片后截面形貌观察及成分分析结果

 

不良位置3:如图6所示,切片结果显示:润湿区域局部IMC位置同样发现较多空洞现象,孔洞位置含有C、O、Ag、Sn、Cu元素;不润湿区域发现较多铜层凹坑现象,凹坑位置未见明显IMC生成,说明凹坑影响了焊盘的润湿及铺展。

 

不良位置3切片后截面形貌观察及成分分析结果

图6. 不良位置3切片后截面形貌观察及成分分析结果

 

4. PCB光板分析

对同批次PCB光板焊盘位置切片后,利用场发射扫描电子显微镜对截面进行形貌观察及成分分析,结果如下。

如图7所示,切片后,焊盘银层下面铜层局部位置发现空洞现象,与PCBA上锡不良位置银层下面空洞类似;EDS分析显示,铜层空洞位置,银层及下面空洞处,发现C、O、Ag、Cu元素,空洞位置C含量28.3wt%,C含量偏高,推测沉银之前铜箔表面存在污染。

 

同批次PCB光板切片后截面形貌观察结果

图7. 同批次PCB光板切片后截面形貌观察结果

 

5. 上锡性验证

为了验证同批次PCB光板焊盘上锡状况,对其进行浸锡试验,结果如下:

如图8所示,同批次PCB光板浸锡试验后,个别焊盘发现润湿不良现象,与失效PCBA表现一致。

 

同批次PCB光板浸锡试验后光学检查照片

图8. 同批次PCB光板浸锡试验后光学检查照片

 

三、总结分析

 

由以上分析结果可知,化银焊盘上锡不良的原因主要为焊盘表面存在银下铜层空洞及铜层凹坑缺陷,回流过程中,降低了焊盘上锡能力而出现润湿不良现象,焊盘润湿不良示意图见图9所示。

 

焊盘润湿不良示意图

图9. 焊盘润湿不良示意图

 

铜层凹坑底部发现银层存在,故铜层凹坑现象推测主要与焊盘沉银之前铜箔表面存在微凹坑有关。

 

对于银下铜层空洞产生的机理,目前业界研究较少,现业界对空洞产生机理的猜想,包括以下三个,分别为:①原电池效应;②局部反应过快;③残留药水导致空洞。

 

原电池效应造成银下铜层空洞机理如下:在沉银反应过程中,某些区域(如阻焊残渣、污染物与铜面交界处或粗糙度较高处等)药水交换较慢,此处银离子供应不足,该处铜面不能及时沉积上银层,银在其他区域沉积后,会和该处铜面构成电极的两极,在沉银药水中形成原电池回路,在原电池反应下,该处的铜层不断失去电子形成铜离子被腐蚀最终形成空洞,如图10示意图(1)所示。

 

局部沉银反应速率过快也可能形成铜层空洞。局部置换反应速率过快,此处溶液中银离子消耗过快来不及补充,导致铜咬蚀速率大于银沉积速率,沉积的银层不能完全覆盖铜面,未覆盖处在持续的置换反应中也会形成空洞,如图10示意图(2)所示。

 

铜面有凹坑或者银溶液沉积速率过快时,沉银过程会有微量药水残留在银层下,在后续放置时会继续咬蚀铜面造成空洞,如图10示意图(3)所示。

 

银下铜层空洞产生机理

图10. 银下铜层空洞产生机理

 

根据以上3种空洞形成机理,结合银下铜层空洞位置EDS分析结果可知,可以排除阻焊残渣、剥锡残留、微蚀药水残留、沉银药水残留等影响,故推测银下铜层空洞主要与沉银之前铜面粗糙度、沉银之前铜箔表面污染有关,另外还可能与局部沉银速度过快(局部温度过高或药液浓度偏高)影响因素相关。

 

四、结论与建议

 

化银板焊接不良的原因为:焊盘表面存在银下铜层空洞及铜层凹坑异常,回流过程中,降低了焊盘上锡能力而出现润湿不良现象。

 

改善建议

1. 增加PCB来料上锡性验证,重点关注银下铜层连续性空洞影响及铜层凹坑异常;

2. 增加沉银之前铜箔来料管控,重点关注铜箔表面粗糙度及污染状况。

 

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