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助焊剂厂家详解PCB板焊盘原因导致焊接工艺的不良分析

文章出处:本文版权归http://www.xili188.com(喜利化工)所有,如有转载,请注明出处。责任编辑:喜利化工人气:-发表时间:2016-12-30 08:58【

伴随我国电子制造业的发展,越来越多的电子厂家对于环保的要求也越来越高。在这样的环境下,下游的化工助焊剂厂家也在加强环保建设。当然伴随无铅化与无卤化等环保要求的不断深入,电子制造业面临着越来越多的技术挑战与压力,其中受影响最大的莫过于PCB板、元器件、无铅助焊剂、锡条等焊料的厂家。据贝塔助焊剂厂家初步的统计,电子制造业的无铅产品中所暴露的质量问题75%以上和PCB质量好坏有关,特别是PCB板焊盘的表面处理和基材的稳定性等方面,常常由于电镀层不良(如腐蚀、氧化以及污染等原因导致无铅焊料焊接后出现不良)。不过令人欣慰的是由于这类原因导致的PCB板焊接不良比较容易发现并很快得到解决。有一类焊盘的镀层既无污染又无明显的腐蚀或氧化,但其就是不能被无铅焊料很好的润湿,造成这类问题的原因一时难以分析清楚,给电子厂家相关各方带来许多困扰。下面贝塔助焊剂品牌小编就从一块PCBA和一块同批次的PCB光板样品,以及一块只印刷锡膏没有贴装零部件并经过回流焊的PCB样品的可焊性测试、金相切片及SEM/EDS分析进行分析讨论:

众所周知为了确认PCB焊盘上锡不良是否和其焊盘焊接前受污染有关,可参考我国IPC-J-STD-003B标准的方法Test C1,对PCB空板样品清洗前后的焊盘分别进行可焊性测试,清洗条件是异丙醇和纯水溶液中超声波清洗10分钟左右,测试条件:无铅焊料组成:Sn96.5Ag3.0Cu0.5;焊接温度:255℃;无铅助焊剂:松香:25%,异丙醇:74.61%,二乙胺盐酸盐:0.39%;焊接时间:5+0/-0.5s。从结果中我们可以发现所检焊盘清洗前后均存在明显的反润湿和不润湿,所检焊盘可焊性不符合标准IPC-J-STD-003B规定的TEST C1项的可接收要求(如下图)。

如果任选一焊接不良的IC器件的焊点,制作其金相切片并对其进行SEM&EDS分析,所检测的结果发现:所检焊点引脚一侧焊接界面可见均匀连续的金属间化合物(IMC)层,IMC层平均厚度约1.8μm,而PCB焊盘一侧焊接界面IMC层不连续,且焊盘镍(Ni)镀层普遍存在微小裂缝,严重处裂缝深度达镍层厚度的三分之二(如下图)。

分析焊盘可焊性不符合标准IPC-J-STD-003B 的TEST C1项的技术要求,表明上锡不良比一定是因PCB焊盘表面污染造成。用SEM/EDS对失效样品进行分析,发现上锡不良主要表现为无铅焊接材料(无铅助焊剂等)对PCB焊盘严重润湿不良。所检PCB板焊点引脚一侧焊接界面可见均匀连续且厚度适中的IMC层,表明电子厂家焊接工艺不存在问题。所检PCB板焊盘一侧焊接界面IMC层不连续,且焊盘镍镀层普遍存在微小裂缝,但尚未能充分证明PCB板焊盘的不良由此引起。

进而对PCB板空焊盘以及焊接后的焊盘表面进行SEM/EDS分析显示,PCB板焊盘表面均存在明显开裂,但没有发现镍镀层表面有明显的腐蚀或氧化现象,对镀层厚度的检测还发现金镀层的厚度符合有关标准的要求。

进一步采用X射线光电子能谱仪对PCB板空焊盘和焊接不良焊盘表面进行元素深度分布分析,结果发现焊盘非常浅的表面均存在镍元素,表明镍元素在焊接之前已扩散到金镀层表面,镍扩散至金镀层而形成的镍金固溶体增加了金元素在焊接过程中向无铅焊料内扩散溶解的难度,阻慢了焊锡浸润焊盘表面的过程,严重的甚至导致回流焊后镀金层仍然存在。只要焊盘表面的金镀层没有溶解,真正良好的锡镍合金焊点就无法形成。此外,镍扩散至金镀层表面还增加其氧化的机会,连同镍金固溶体的在焊锡中的难熔解性,严重降低PCB板焊盘的可焊性,导致最终电子制造业焊接不良的发生。

按照扩散过程动力学原理,镍扩散的发生跟温度和时间有很大的关系。因此,加强在化学镀金的工艺过程中的生产工艺控制,以及PCB产品的贮存环境与时间的控制都需要严加考虑。对于润湿不良且无明显的氧化污染或被腐蚀的特征的非典型PCB板焊盘,业界一直找不到真正的原因。本文通过引入光电子能谱(XPS)的表面分析手段,对润湿不良的焊盘的表面化学物质组成及其深度分布进行了分析,结果发现镍镀层中镍的扩散至金表面,导致了焊盘可焊性的急剧下降。最终揭示了导致使用该焊盘进行焊接而引起的焊接工艺不良的主要原因(而不是无铅助焊剂、锡条等无铅焊接材料造成),为电子厂家下一步避免或控制类似问题提供了改进的依据。

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