PCBA上焊盤焊接不良原因分析

摘 要：PCBA上錫不良的現象，通過對失效焊盤進行表面觀察、剖面分析、表面成分分析等手段查找失效原因。結果表明：由于失效焊盤在過爐前被氧化，焊盤表面沉錫層厚度急劇減薄，從而導致焊盤上錫不良。從而總結出在回流焊接工藝中PCBA焊盤上錫不良的原因由設計、材料、設備和工藝所合成的。

關鍵詞：PCBA；上錫不良；表面SEM；FIB剖面

電子產品的無鉛化以來，元件或PCB焊接端子上純錫鍍層被廣泛應用，同時也伴隨著錫須的誘發和生長就更加容易了。錫須的危害很嚴重，它可能直接與鄰近的導體接觸形成短路，導致產品失效，也可能因為錫須的生長導致底層IMC機械失效降低產品工作壽命。

1 對焊盤外觀的檢查

對失效樣品進行外觀檢查，發現失效焊盤在PCB板上位置不固定，進行顯微放大觀察，焊盤表現為不上錫，失效焊盤如圖1所示，焊盤表面未發現明顯變色等異常情況。

2 對焊盤表面SEM分析

SEM分別對未過爐的焊盤、失效焊盤、過爐一次的焊盤進行表面微觀觀察，如圖2所示。結果顯示過爐一次焊盤和失效焊盤表面存在微小的凸起顆粒，表明沉錫層在過爐后表面生成錫須。晶粒粗大的鍍層由于晶界數量少而可以抑制錫須的生長。表面亞光錫鍍層可以減緩或抑制錫須的生長，反之，光亮純錫鍍層錫須風險高。結晶組織對錫須的生長有明顯的影響。

3 焊盤FIB制樣剖面分析

FIB對失效焊盤、過爐一次焊盤來進行制作剖面，再EDS對剖面表層進行成分線掃描，具體結果見圖3～4。結果表明：失效焊盤在表層已經出現Cu元素，說明純錫層中Sn已經基本完全與Cu形成錫銅合金。錫須是一個自發的過程，對于元器件銅引腳的純錫鍍層來說，生長錫須是絕對的，生長的快慢由鍍層工藝、鍍層材料、電鍍設備和工藝等方面來確定。

4 分析與討論

沉錫板焊盤的結構主要分為銅層、銅錫合金層、純錫層及表層的氧化錫層，其中純錫層可保證焊盤表面具有良好的潤濕性。同時，也與應力有關，應力可分為內外兩部分，內應力來自于不匹配的熱膨脹系數（CTE）、表面的氧化物形成和擴散及錫的腐蝕等，金屬間化合物的不規則生長形成的應力也可造成錫須的產生。溫度對錫須生長具有決定性的影響，一方面提供能量影響原子擴散速度，同時材料的熱脹冷縮性質又可讓鍍層內部應力松弛；外應力來自于機械彎曲、機械沖擊等。

5 結論

由于過爐時加速銅與錫之間的擴散，使銅錫合金層加厚，同時加劇錫層被氧化，導致純錫層變薄；盡管錫須問題很嚴重，很致命，但又不可避免。現有的電子組裝工藝決定了焊接材料及焊接端子鍍層都離不開金屬錫。錫須的生長是一個自發的過程，對于元器件銅引腳的純錫鍍層而言，生長錫須是絕對的，而生長的快慢則可以從鍍層工藝、鍍層材料等方面采取必要的措施進行抑制，以減緩錫須的生長長度和密度。

6 建議

（1）使用活性更強的助焊劑，增強錫膏去氧化層能力。

（2）增加PCB板沉錫層厚度，保證在過爐一次后，錫層厚度仍能滿足可焊性要求。

（3）增加氮氣保護，降低焊盤表層氧化。

（4）結晶組織形態對錫須的生長有明顯的影響，形態復雜，等軸結晶組織能有效地抑制錫須生長。

（5）所有焊盤引腳必須加入“熱阻”設計，避免造成“冷”焊盤

參考文獻

[1]李伏，李斌，辜小謹.沉錫PCB焊接失效分析方法[J].印刷電路信息，2014，3.

[2]PCBA Random Vibration Analysis using FEA Reliability Engineering Group.

[3]Cascade Engineering Services， Inc.

作者簡介：呂俊杰（1969，02-），男，漢族，籍貫：湖北應城，職稱：副教授，學歷：研究生，單位：武漢職業技術學院電信學院，研究方向：電子技術。