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 隨著無(wú)鉛化產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)，沉金工藝作為無(wú)鉛適應(yīng)性的一種表面處理已經(jīng)成為無(wú)鉛表面處理的主流工藝。沉金也叫無(wú)電鎳金、沉鎳浸金或化金，是一種在印制線路板(PCB)裸銅表面涂覆可焊性涂層的工藝，其集焊接、接觸導(dǎo)通、打線和散熱等功能于一身，滿足了日益復(fù)雜的PCB組裝焊接要求，受到PCBA(printed circuit boardassembly，即PCB組裝)客戶的廣泛親睞。

 

      但隨著無(wú)鉛焊接峰值溫度的提高，使焊接工藝窗口由50 ℃減小到15 ℃。焊料、PCB表面處理和元器件表面處理的多元化，出現(xiàn)了很多兼容性問(wèn)題，尤其是帶來(lái)了更復(fù)雜的沉金PCB焊盤不潤(rùn)濕問(wèn)題。

 

      如圖1所示，失效樣品上的焊盤普遍上錫不良，主要表現(xiàn)為焊盤部分區(qū)域未上錫，表面金層未完全溶進(jìn)焊料中。而在正常的焊接過(guò)程中，鎳金焊盤在高溫焊接的瞬間，表面金層將急速溶于焊料中，形成AuSnX 系列合金而快速脫離焊盤，迅速擴(kuò)散到焊料之中。

 

      本文將重點(diǎn)探討一套完整的焊盤不潤(rùn)濕的分析方法，為分析解決沉金PCB焊盤不潤(rùn)濕問(wèn)題提供有力的分析方法和手段。

 

 

1、焊接熱量

 

      當(dāng)出現(xiàn)焊盤不潤(rùn)濕的情況，首先應(yīng)該進(jìn)行焊接工藝過(guò)程的因素排查。當(dāng)焊接熱量不足或錫膏潤(rùn)濕性差時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致焊盤不潤(rùn)濕。所以首先需要對(duì)NG（No Good）品上的上錫不良焊點(diǎn)以及上錫良好焊點(diǎn)進(jìn)行電子掃描顯微鏡（SEM）切片分析，分析其錫膏對(duì)元器件的可焊端/引腳潤(rùn)濕情況以及其界面的IMC（金屬間化合物，Intermetallic Compound）層厚度，以確定焊接工藝是否正常。

 

1.1 NG品上的不良焊點(diǎn)分析

 

      將NG品上的不良焊點(diǎn)制成切片，并對(duì)其截面進(jìn)行SEM觀察，如發(fā)現(xiàn)圖2所示狀況，即發(fā)現(xiàn)焊料縮聚在電阻可焊端，該界面潤(rùn)濕良好，界面金屬間化合物厚度約為1.3 μm。

 

      而焊料對(duì)焊盤則不潤(rùn)濕，不潤(rùn)濕區(qū)域可見明顯金層覆蓋PCB焊盤已上錫區(qū)域，焊料對(duì)PCB焊盤均已潤(rùn)濕。說(shuō)明焊接熱量和錫膏潤(rùn)濕性沒有問(wèn)題。反之，如果發(fā)現(xiàn)器件側(cè)同樣沒有形成良好的IMC層，則說(shuō)明焊接熱量不足或錫膏潤(rùn)濕性差。

 

 

1.2 NG品上的上錫良好焊點(diǎn)分析

 

      將同一個(gè)NG品上的上錫良好焊點(diǎn)制成切片，并對(duì)其截面進(jìn)行SEM觀察，如發(fā)現(xiàn)圖3所示情況：焊料對(duì)元器件潤(rùn)濕良好，其界面處的IMC層厚度約為1.2 μm，PCB焊盤側(cè)也被潤(rùn)濕。說(shuō)明焊接熱量和錫膏潤(rùn)濕性沒有問(wèn)題。

 

 

2、金鎳鍍層厚度

 

      一般金鎳鍍層焊盤表面要求金厚0.050～0.152 μm，鎳厚3～8 μm。如表1所示，有研究結(jié)果表明金厚對(duì)焊錫延展性有顯著影響，即金層越薄，焊錫延展性越差，金層越厚，焊錫延展性越好。

 

      金鎳厚影響焊接效果的機(jī)理是：金與銀焊錫性都很好是因?yàn)樗鼈冊(cè)趶?qiáng)熱中能快速形成IMC(AuSn4與Ag3Sn)，且IMC還能迅速分散溶入液態(tài)的焊料中。金溶進(jìn)高錫量SAC305焊料的速率可達(dá)2.995 μm/s，銀也能快到1.107 μm/s，遠(yuǎn)超過(guò)銅(0.104 μm/s)和鎳（0.001 μm/s）這2種基底金屬形成IMC的速率。故沉金板不上錫時(shí)，排除掉焊接工藝因素后第一時(shí)間應(yīng)該用金厚測(cè)試儀進(jìn)行金鎳厚的測(cè)試。

 

 

3、鎳層磷含量

 

      根據(jù)SEM掃描微觀圖，低P含量的鎳層晶格界限明顯，而高P層的鎳層表面晶格模糊，呈現(xiàn)非晶體結(jié)構(gòu)。高P含量的Ni-P鍍層，其優(yōu)良耐蝕性能起因于它的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這種在非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中不存在晶界、位錯(cuò)、孿晶或其他缺陷，耐蝕性能相對(duì)較好。

 

      但是高P含量的鎳層，因?yàn)橛行Ш附咏饘俚臏p少，而焊接過(guò)程中，P是不參與到焊接合金層結(jié)構(gòu)中的，所以當(dāng)P含量超越一定程度時(shí)候，鎳層表面將呈現(xiàn)非晶體結(jié)構(gòu)，極大增加了鎳層的耐腐蝕性，但同時(shí)其潤(rùn)濕性能、可靠性能將下降。在確定金鎳厚度無(wú)異常時(shí)，就要進(jìn)一步用EDX分析鎳層磷含量，鎳層磷含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在7%～11%。

 

4、鎳腐蝕

 

      在鎳腐蝕嚴(yán)重時(shí)，往往會(huì)造成焊盤不潤(rùn)濕，即Ni層受到深度腐蝕而引起ENIG（Electroless Nickel/Immersion Gold）處理焊點(diǎn)斷裂的失效模式。一般業(yè)界比較認(rèn)可的鎳腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)為：

 

      1）在放大3 000倍的條件下采用SEM觀察，焊盤表面50 μm范圍內(nèi)Ni腐蝕深度超過(guò)Ni層厚度40%的條數(shù)不超過(guò)4條；

 

      2）IMC鍍層不允許出現(xiàn)連續(xù)的Ni腐蝕，如圖4所示。在出現(xiàn)沉金焊盤不潤(rùn)濕的情況下，要用SEM觀察鎳層縱切片，確認(rèn)鎳腐蝕情況。

 

 

5、焊盤表面污染

 

5.1 異常元素分析

 

      對(duì)上錫不良的焊點(diǎn)進(jìn)行EDX（Energy DispersiveX-Ray Spectroscopy）成分分析，確認(rèn)是否有異常元素存在。在PCB生產(chǎn)過(guò)程中，文字以及阻焊塞孔等工序可能會(huì)出現(xiàn)文字或者阻焊劑上焊盤導(dǎo)致焊盤不潤(rùn)濕的情況。

 

      如圖5所示，發(fā)現(xiàn)焊盤表面有異常元素Ti，Ti是字符油墨的特征元素，可以判定有字符污染物存在。針對(duì)字符污染焊盤的不良，可采用沉金前印字符工藝，這樣可以有效避免字符污染焊盤導(dǎo)致的焊接不良，目前業(yè)界有多個(gè)PCB廠家采用沉金前印字符工藝。

 

 

5.2 有機(jī)物污染分析

 

      當(dāng)進(jìn)行EDX元素分析時(shí)，未發(fā)現(xiàn)明顯異常元素存在時(shí)，就要觀察氧含量是否正常。如圖6所示，這個(gè)不上錫焊盤表面Au層氧元素含量較高，說(shuō)明焊盤存在一定程度的氧化或者存在有機(jī)物污染的情況。進(jìn)而依據(jù)IPC-J-STD-003B方法，用體積分?jǐn)?shù)20%的HCl清洗不潤(rùn)濕的焊盤，清洗后如果可焊性明顯改善，就可以進(jìn)一步確認(rèn)焊盤存在一定程度的氧化或者存在有機(jī)物污染的情況。

 

      無(wú)論是焊盤表面有異常元素存在，還是焊盤表面有氧化或者有機(jī)物污染物存在。經(jīng)過(guò)筆者大量實(shí)踐，在PCB包裝前用體積分?jǐn)?shù)1%～3%的稀硫酸+超聲波水洗的方式進(jìn)行PCB清洗，可以很好地規(guī)避焊接不良問(wèn)題。異丙醇、檸檬酸以及鹽酸的清洗方式作用有限，不推薦使用。尤其是鹽酸要禁止對(duì)金面進(jìn)行清洗，因?yàn)辂}酸會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的鎳腐蝕問(wèn)題。

 

 

6、金層氧化

 

      當(dāng)以上所有的分析結(jié)果都沒有異常時(shí)，這個(gè)時(shí)候就要用SEM重點(diǎn)觀察確認(rèn)沉金表面后是否對(duì)金面進(jìn)行了物理處理，比如噴砂。一般在金面有異常，例如金面污染、金面發(fā)紅和金面氧化等正常酸洗流程無(wú)法處理時(shí)，有些PCB廠家會(huì)采用噴砂等物理方式對(duì)金面進(jìn)行處理。如圖7所示，在沉金后做過(guò)噴砂處理，整個(gè)金面的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞，有漏鎳現(xiàn)象，這些位置會(huì)造成金原子之間的鎳原子大量氧化，最終造成焊盤不潤(rùn)濕。

 

 

7、結(jié)束語(yǔ)

 

      1）沉金PCB焊盤不潤(rùn)濕應(yīng)從以下六個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)失效分析：

 

      ①焊接熱量不足；

 

      ②鎳層磷含量異常；

 

      ③鎳腐蝕；

 

      ④金鎳厚度異常；

 

      ⑤焊盤表面污染；

 

      ⑥金層氧化。

 

      2）沉金后使用物理方式對(duì)金面進(jìn)行返工，會(huì)造成金晶格變形，露鎳位置鎳氧化，進(jìn)而造成焊盤不潤(rùn)濕。

 

      3）在PCB包裝前用體積分?jǐn)?shù)1%～3%的稀硫酸+超聲波水洗的方式進(jìn)行PCB清洗，可以很好地規(guī)避焊接不良問(wèn)題。

 

      4）采用沉金前印字符可以有效避免字符污染焊盤導(dǎo)致的焊接不良，目前業(yè)界有多個(gè)PCB廠家在采用。

 

參考文獻(xiàn)

 

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