波峰焊接孔孔铜缺失的失效机理简析

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0 前言
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! v8 @2 c0 g7 L% K       插件孔是实现PCB不同层线路互连的主要桥梁，因而其孔内铜层的完整性成为PCB备受关注的热点之一。一直以来，孔无铜的失效案例屡见不鲜，严重影响PCB的性能和可靠性。在焊接过程出现异常时，孔铜被锡溶蚀（浸析现象）是导致孔无铜的常见失效原因之一，目前有关此类失效案例的分析文章尚少，本文结合一例波峰焊后锡溶铜导致的孔无铜失效案例，对波峰焊后焊接面孔铜缺失的机理进行简析。


- ^6 o( v7 R& l  D1 波峰焊接简介
! X  k  R# o7 s0 |8 P, k波峰焊是指将熔化的软钎焊料，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，亦可通过向焊料池注入氮气来形成，使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。
波峰焊的主要工艺流程：将元件插入相应的元件孔中→预涂助焊剂→预烘（温度90-100℃，长度 1~1.2m）→波峰焊（220-240℃）→切除多余插件脚→检查。
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图1 波峰焊示意图

2 失效案例分析

2.1 案例背景

某PCB板在完成波峰焊后外观检查发现SS面（即波峰焊接起始面）整排1.5mm插件孔均出现缺失的现象，其余位置外观上锡良好，未发现孔环缺失现象，不良率为0.67%，其表面处理为有铅喷锡（HASL）。
& {$ {9 g1 H8 ]/ W; t) \& C不良板孔环缺失位置确认如图2所示：

通过立体显微镜观察PCB板不良位置的孔环情况，发现不良孔孔环位置无完整的铜层，部分位置已裸露出基材。
通过查找相关生产信息可知，该PCB板的生产流程包括化学沉铜、负片电镀（最小孔壁铜厚要求为20μm）、磨板、酸性蚀刻、有铅喷锡等。
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2.2 失效模式分析及定位
根据该板的生产流程可知，可能导致孔环缺失的原因主要有：酸性蚀刻的药水对铜的咬蚀，有铅喷锡对铜的溶蚀和波峰焊接锡对铜的溶蚀等。现对不良板的孔环缺失位置和板上其它未进行波峰焊接的PTH孔进行垂直切片分析对比，如图3所示：

从图3可以看出，对于表面处理为有铅喷锡的PCB板，未进行波峰焊接的PTH孔的孔铜仅被喷锡过程咬掉4.4μm的厚度。而波峰焊后的PTH孔在波峰焊接起始面有孔环缺失的不良现象（如孔环缺失位置-2所示），焊接终止面孔环的孔铜完整，因而可以排除不良孔的孔铜缺失是由有铅喷锡对铜的溶蚀导致的。另外，在不良孔的孔口位置有部分铜残留，残留的铜层厚度为14.9μm，阻焊下的铜层完好无缺，厚度为46.6μm，说明在阻焊工序之前孔环位置孔环铜厚满足要求，可以排除不良孔的孔铜缺失是由酸性蚀刻过程中被药水咬蚀导致。因此，推断不良孔的孔环铜层可能是在后续进行波峰焊接时出现异常，导致铜被锡溶蚀的失效。
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3 n! C8 o! K5 U9 s4 M) e$ b( F7 Y2.3 失效模式确认
为了进一步验证不良孔孔铜缺失的真因，现对失效孔环位置进行垂直切片分析，确认其失效模式，如图4所示：

不良孔的孔铜在波峰焊之后，沿着焊接起始面到终止面，孔铜由薄到厚渐变，孔环、孔口和内侧孔壁铜均被逐步溶蚀，且焊接起始面的孔环和孔口铜层优先被咬蚀干净，而孔内远离波峰面的孔环和孔壁铜则相对完整，被咬蚀掉的厚度较轻微。
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2.4 孔铜的浸析机理简析
在焊接过程中，焊料处于熔融状态，浸入熔融焊料的PCB板的铜会向锡中扩散和溶解，在生产中将这种现象称为浸析现象或“溶蚀”现象。发生浸析现象的本质，是由于金属铜与液态焊料的金属锡之间存在着良好的亲和力。
波峰焊接所采用的焊料分为有铅和无铅焊料，在各种焊料中Sn都是主要成分，铜在锡的溶解率取决于许多因素：焊接时的温度、焊料成分，以及焊接时间和焊料的流动速度等。在生产过程中，这些参数异常可能会导致孔铜被锡溶蚀的不良现象。

3 改善建议
铜在锡的溶解率取决于焊接时的温度、焊料成分，以及焊接时间和焊料的流动速度等因素。因此，可以通过以下方法控制铜的溶蚀程度：
（1）正确设置波峰焊的温度曲线，并通过定期检测实时温度曲线来调节温度曲线；
' j  z4 y  c4 Y- N: g（2）适当缩短焊接时间，避免PCB板的铜长时间接触锡料；
（3）定期清理锡渣，加强设备的日常维护，让设备可以正常工作，防止出现卡板、波峰不均等现象。
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4 结论

在波峰焊中，一些生产异常会导致PCB板的插件孔浸入锡料的时间过久，孔铜会被逐步浸析溶解，溶解在锡料的Cu随着时间的延长会越来越多，会导致锡料的黏度增加以及锡料熔点上升等问题。
5 p. h& M* M' T" j' N在实际生产中，应规范操作，严格管控焊接温度和焊接时间等工艺参数，提升人员的操作技能等，防止PCB板在生产过程中出现孔铜溶蚀的失效现象。

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