浸锡试验小焊盘完全不润湿现象的研究

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微电子工业的飞速发展，芯片封装的不断小型化，不仅促进了印制电路板朝高密度、多层化方向发展，焊盘尺寸也随之精细化，更小的焊盘、更小的间距对印制电路板的可焊性等工艺提出了更严格的要求。如0.5Pitch的BGA焊盘多为10~12mil，而0.4Pitch的BGA焊盘则达到了8mil（约0.2mm）。

参考标准IPC J-STD-003印制板可焊性测试，其中所规定可焊性测试方法包括：

边缘浸焊测试，又称浸锡测试，主要用于表面导体和焊盘的测试，最终通过焊盘润湿面积来进行判断；
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2 m0 x- H' O9 [/ _) g4 t摆动浸焊测试、浮焊测试、波峰焊测试主要用于镀覆孔的可焊性测试（较少用于表面导体、焊盘的测试），最终通过镀覆孔的润湿程度进行判断；
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润湿称量测试，又称润湿平衡测试，适用于镀覆孔、表面导体及连接盘的测试。一方面其虽是一类具有量化测试数据的测试，但其与组装时可焊性的关系尚未确立。另一方面受到测试原理本身以及样品要求的限制，其不能对过于精细的单个焊盘进行测试；
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+ e9 d5 q# b2 ~! w表面贴装工艺模拟测试，这种测试是采用实际贴装过程中印刷锡膏回流的方式进行验证，因而其最能直接反映PCB在实际贴装过程中的可焊性表现情况。
由于以上各种方法各有其一定特性和局限，因而在实际可焊性检验过程中会针对具体情况进行选择。而边缘浸焊测试因其易于操作、现象直观，已成为PCB可焊性检验的首选方法。而在实际的检验过程中，使用标准所规定的标准活性松香助焊剂，时常发现存在如下图所示的小尺寸焊盘完全不上锡的现象：

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图一 典型的小焊盘浸锡完全不上锡的情况

经过大量观察发现该类现象具有以下特征：
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+ U2 R/ _7 l2 o' H8 M8 ^. h板面除个别小焊盘完全不上锡外，其余焊盘均上锡饱满，无缩锡等不良情况产生；

- c* F# Q$ f6 I: U- i! u( U  Z/ i阻焊限定焊盘发生概率要高于蚀刻限定焊盘；
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完全不上锡的焊盘表面不存在明显的污染或者其他可能影响可焊性的异常情况；

% O4 N! C. z5 E7 b同批次板通过标准所规定的表面贴装工艺模拟测试方式所得出的结论截然相反，焊盘润湿率100%。
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以上问题的发生严重地影响到了可焊性的鉴定，甚至是同一标准要求下的两种测试得出来的结论截然相反。这种因为测试方法选择导致的结论偏差的情况，间接的说明了测试方法存在未知的局限性。因而对于以上问题的正确认识和处理是十分有必要的。

  G! y5 W% ]/ j  X- w现象分析
针对于完全不上锡的情况，推测有两种可能性：

* S+ S# l2 b+ Q+ Z! |+ C- m' V焊盘可焊性不良，在浸锡试验过程中拒锡，从而完全不上锡；

焊盘本身可焊性并不存在问题，由于未知的原因导致完全不上锡。
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由于该完全不上锡情况进行了常规的可焊性异常排查：
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不存在缩锡等不良情况；

对不上锡的焊盘进行了扫描电镜及能谱元素分析发现焊盘表面不存在明显污染情况；

图二 扫描电镜及能谱元素分析

通过标准所规定的表面贴装工艺模拟测试方式完成上锡。
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通过以上验证可确定焊盘的可焊性是没有问题的，因而应属上述推断的第二种可能的情况。
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另外对于前面所提到的阻焊限定焊盘发生概率要高于蚀刻限定焊盘，对于两种焊盘其主要在阻焊制作上存在差异：蚀刻限定焊盘成型于线路蚀刻，阻焊开窗大于焊盘尺寸；阻焊限定焊盘成型于阻焊制作，阻焊覆盖于较大的表层铜皮上通过阻焊开窗形成焊盘，阻焊开窗等于焊盘尺寸。另外，在阻焊厚度均一的理想情况下，阻焊限定焊盘周边阻焊高出焊盘平面的高度要大于蚀刻限定焊盘。
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综上，推测可能是由于在较小的焊盘条件下，阻焊高出焊盘的尺寸（后续简称阻焊高度）较大使得浸锡试验中焊料未能接触到焊盘，从而完全不上锡。
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实验部分
实验设计
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/ C! F4 b5 b1 N& F3 Q' @为了验证上述的推测结论，设计了具备一系列从6mil到36mil尺寸不等的圆形BGA焊盘及方形片式元件焊盘试板，焊盘均采用阻焊限定方式制作。
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图三 实验板图形设计

0 p( [, ^' z) @6 U0 p- f5 U为比较阻焊高度的影响，实验板采用阻焊印刷预固再印刷的多次循环印刷的方法加厚阻焊。最终形成了无阻焊（0#）、一次阻焊（1#）、二次阻焊（2#）、三次阻焊（3#）的样品梯度。并最终进行沉金表面处理制作，从而避免多次阻焊带来的烘烤老化或是余胶风险等对焊面可焊性的影响。
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另外，测试板与润湿天平标准测试片进行拼板生产。实验过程中润湿天平测试片用于评价同板面试板的可焊性优劣，小焊盘区域用作浸锡测试。
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实验结果

$ H2 R  F: v0 Q3 m4 q& l      浸锡试验前，通过光学轮廓仪以及润湿天平分别对试样的阻焊高度以及可焊性情况进行了评估，相关测试数据如表一所示：
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6 D- P% f/ s+ G, C+ ?7 j润湿天平测试显示4组样品润湿时间Ta和润湿力F都相差无几，润湿性能都在一个水平，且均满足相关标准的要求。

+ q0 K& l3 C' u1 K9 [5 h% k确认可焊性不存在异常后，进行了浸锡试验，相关测试数据如下：


& h) ]4 r4 d* c' a. D  HBGA焊盘
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/ x6 w  q, S0 y表二所示为BGA焊盘浸锡结果，从横向比较，如6mil的圆形焊盘，无阻焊样品和阻焊高出焊盘15.011μm、17.585μm、27.725μm四种样品，焊盘不上锡的比例分别为0%、8.52%、19.40%、24.75%，其它8mil到18mil的圆形焊盘也呈现处同样的趋势，随着阻焊高出焊盘厚度的增加，焊盘不上锡的比例逐渐增大。从纵向比较，无印刷阻焊的0#样品，从最小6mil焊盘到最大36mil焊盘均未发现有焊盘不上锡的情况；而有印刷阻焊的样品，如阻焊高出焊盘27.725μm的3#样品，发现随着焊盘尺寸的增加，不上锡焊盘的数量依次减少，其它阻焊高出焊盘15.011μm和17.585μm 两种样品也发现有同样的规律。

( x( O+ Y) J" o3 o" T4 C片式元件焊盘

表三所示为片式元件焊盘浸锡结果，仔细观察数据变化情况，发现与BGA焊盘变化规律相同。相同尺寸的片式元件焊盘，随着阻焊高度的增加，焊盘不上锡的比例逐渐增大；相同阻焊高度的焊盘，随着焊盘尺寸的增加，焊盘不上锡的比例逐渐减少；无印刷阻焊的0#样品，从最小6mil焊盘到最大36mil焊盘均未发现有焊盘不上锡的情况。
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SMT焊盘
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- J- j% ^/ |! U0 k5 d表四所示为SMT焊盘浸锡结果。从横向比较，同样发现相同尺寸的焊盘随着阻焊高度的增加，焊盘不上锡比例也增加。从纵向比较，发现无印刷阻焊的样品焊盘均能上锡，而印刷阻焊的样品，基本趋势是随着焊盘尺寸的增加，焊盘不上锡的比例减少。
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图四为实验过程中典型的不上锡焊盘外观图：
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通过上述实验结果，可以确定阻焊高度对于小焊盘不上锡有非常大的影响，具体表现为随着阻焊高度的增加，不上锡焊盘的数量增多，不上锡焊盘尺寸也有所增大，且不上锡的情况不随焊盘形状的变化而变化。不上锡焊盘尺寸主要集中在6-18mil的范围，偶尔也会出现大于18mil的焊盘不上锡。
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  h( b! I. W( t$ G! N+ G上述结论基本与之前的推测相符：在浸锡测试过程中，小焊盘阻焊开窗较小的情况下，使得在阻焊表面具备较大界面张力的焊料无法接触到焊盘造成了焊盘无法上锡的情况。而在表面贴装工艺模拟测试的过程中，由于焊料（锡膏）是经刮刀加压通过钢网开窗直接给到焊盘表面的，因而并不会产生以上问题。以上的具体情况如图五、图六所示：
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总结
通过上文的实验分析，可得到以下结论：
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在小焊盘条件下，浸锡试验所得出的焊盘完全不上锡的“不良”情况，是由于阻焊高度过大使得浸锡试验中焊料难以接触到焊盘，从而完全不上锡。因而测试结果并不能真实反映试样的可焊性水平；

对于上述的浸锡试验中小焊盘不上锡的情况，应采用标准所规定的其他测试方法加以辅助，减少误判的发生。

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边缘浸焊测试，主要用于表面导体和焊盘的测试，最终通过焊盘润湿面积来进行判断
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