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1、案例背景
c; F1 }6 \: n9 ? T# X( v8 V$ a失效样品为某型号双面贴片PCBA板,该PCB板经过两次SMT后,发现B面少量焊盘出现上锡不良现象,样品的失效率大概在千分之三左右。该PCB板焊盘表面处理工艺为化学沉锡,出现上锡不良的焊盘均位于第二贴片面(B面)。1 I! n) z# E! `3 F9 n+ v" {, [7 B
9 O S3 }- ?& \2、分析方法简述
% @3 N8 h/ z9 o" q; i4 `5 q5 W7 i2.1外观检查
/ D% ~4 E U, b7 V通过对失效样品进行外观检查,发现失效焊盘在PCB板上位置不固定,对失效焊盘进行显微放大观察,焊盘表现为不上锡,失效焊盘如图1所示,焊盘表面未发现明显变色等异常情况。 ) t+ j& U. \0 F3 `( o
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2.2 焊盘表面SEM+EDS分析
7 l' g8 l* R8 F1 h6 d通过SEM分别对失效焊盘、过炉一次焊盘、未过炉焊盘进行表面微观形貌观察,如图2所示。结果表明,未过炉焊盘表面沉锡层成型良好,过炉一次焊盘和失效焊盘表面存在微小的凸起颗粒,表明沉锡层在过炉后表面生成晶须。 : n* o! X- w2 O# o
通过EDS分别对失效焊盘、过炉一次焊盘、未过炉焊盘表面进行成分分析,能谱图见图3,测试结果见表1。结果表明,焊盘表面均未发现污染元素,失效焊盘与过炉一次焊盘表面Cu含量相比与未过炉焊盘高。 # a* v9 O, q) K& E! Y4 ~0 g- \
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图3 不同焊盘的EDS能谱图
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3 H$ S _2 ?0 p a4 l/ N2.3 焊盘FIB制样剖面分析 * m/ E* R7 N7 b7 R' U: D0 p; F5 J, g
通过FIB对失效焊盘、过炉一次焊盘及未过炉焊盘进行来制作剖面,再通过EDS对剖面表层进行成分线扫描,具体结果见图4~9。结果表明:失效焊盘在表层已经出现Cu元素,说明纯锡层中Sn已经基本完全与Cu形成合金;过炉一次焊盘的表层在0.3μm左右深度出现Cu元素,说明过炉一次焊盘后,纯锡层厚度约为0.3μm;未过炉焊盘的表层在0.8μm左右深度出现Cu元素,说明未过炉焊盘的纯锡层厚度约为0.8μm。 , i/ J, t, t* O( z# ]6 T0 e
由此可见随着过炉次数的增加,焊盘表面锡层厚度大幅下降,过炉一次后锡层厚度几乎不能满足再次焊接的要求。由于EDS分析精度的缘故,需采用AES对其表面进行高精度分析。
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$ ^* l. e6 w6 \4 e& c7 P2 z0 n2.4 焊盘表面AES成分分析 , @* F, i0 I/ |7 `
由于EDS的检测深度超过沉锡层厚度,现采用AES(俄歇电子能谱,分析深度约为5nm)对失效焊盘和过炉一次焊盘的表面进行深度成分分析。
3 K/ K" k$ W6 p+ W图10为失效焊盘在0~350nm深度范围的成分分布曲线图,由图可知,在0~200nm深度范围内,成分主要为Sn和O;焊盘在200nm深度出现Cu元素,在200nm~350nm深度范围,主要为铜锡化合物。成分分析说明失效焊盘表面已经不存在纯锡层。
Z) B! ^5 h; c5 J图11为过炉一次焊盘在0~220nm深度范围的成分分布曲线图,由图可知,过炉一次焊盘表面在0~187nm范围内主要为C、Sn;在180nm左右出现Cu元素,说明在该深度已经出现铜锡化合物。由此可见,过一次炉焊盘表面锡层并未发生严重氧化,但金属件化合物已经长大,焊盘表面剩余锡层厚度极薄。
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% c( O0 u9 ^5 w1 C( L3、分析与讨论图12为沉锡板焊盘的结构示意图,主要分为铜层、铜锡合金层、纯锡层及表层的氧化锡层,其中纯锡层可保证焊盘表面具有良好的润湿性[1],在回流焊过程中,表层的氧化锡层会被锡膏中助焊剂的活性物质去除,锡膏与纯锡层熔融,使焊盘上锡良好,一般而言,焊盘表层至少要存在0.2μm的纯锡层,才能保证焊盘良好的可焊性[2~3]。失效现象均出现在第二贴片面,说明NG样品在第一次过炉过程中,由于高温加速铜与锡之间的扩散,使铜锡合金层变厚,同时纯锡层氧化加剧,导致纯锡层被严重消耗;在第二次过炉焊接时,助焊剂的活性不足,表层氧化物未被完全去除(由AES成分分析可知),纯锡层厚度不足,焊盘润湿性差,导致焊盘不上锡。
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4、结论
4 D/ E9 |7 p I$ ?8 ?& |5 _0 HNG样品均出现在第二贴片面,说明焊盘在第一次过炉过程中,由于高温作用加速铜与锡之间的扩散,使铜锡合金层变厚,同时加剧纯锡层被氧化,导致纯锡层变薄;在第二次过炉焊接时,助焊剂的活性不够强,表层氧化锡未被完全去除,且纯锡层厚度不足,导致焊盘润湿性差,出现不上锡失效。* F2 J- Q$ \+ q f* J- a0 e: V9 z
" a+ ~! f7 _+ t6 I2 b/ J2 n' q5、建议
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(1)使用活性更强的助焊剂,增强锡膏去氧化层能力; (2)增加PCB板沉锡层厚度,保证在过炉一次后,锡层厚度仍能满足可焊性要求; (3)增加氮气保护,降低焊盘表层氧化。
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