邱成偉 劉新發(fā) 趙 強(qiáng)

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 519029）

0 前言

我公司一款硬盤儲存類印制電路板在客戶端組裝生產(chǎn)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的上錫不良，局部存在明顯現(xiàn)象，其表現(xiàn)的最明顯特征為“金不熔”。我司對客戶端出現(xiàn)的上錫不良板取5塊以及同周期的未進(jìn)行焊接的印制電路板同樣取5塊進(jìn)行分析，其中分析手段包括：（1）外觀檢查；（2）掃描電子顯微鏡和能譜元素探測儀對已焊接失效和未焊接的印制電路板表面進(jìn)行分析；（3）剖面微切片做金相顯微鏡分析；（4）未焊接的光板分析、（5）AES（俄歇電子能譜）元素分析；（6）不良焊盤上錫性分析；（7）未焊接光板上錫性分析；（8）改善研究；（9）封孔劑對可焊性的影響；（10）金層對可焊性的影響。

1 外觀檢查

利用金相顯微鏡，對焊錫不良位置進(jìn)行外觀檢查，結(jié)果如圖1所示，已焊接不良的印制電路板多處焊盤位置明顯發(fā)現(xiàn)上錫不良現(xiàn)象，表現(xiàn)為焊盤潤濕不良、焊盤露金異常。

圖1 焊盤潤濕不良

2 表面分析

為了確認(rèn)不良焊盤表面是否存在異常元素及觀察潤濕不良位置形貌及成分，對不良焊盤清洗后（酒精+超聲波）進(jìn)行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如圖2、表1所示。

圖2 潤濕不良位置形貌

表1 不良焊盤表面成分

3 剖面分析

為了觀察上錫不良焊盤截面形貌，對上錫不良焊盤進(jìn)行剖面分析，結(jié)果如圖3、表2所示，上錫不良位置表面平整，未發(fā)現(xiàn)明顯焊錫殘留，與表面觀察結(jié)果一致。鍍層放大倍數(shù)觀察后未發(fā)現(xiàn)有明顯的鎳腐蝕現(xiàn)象，即可排除鎳層腐蝕對焊盤上錫不良的影響。

表2 不良焊盤剖面成分

圖3 不良焊盤剖面觀察

4 未焊接印制電路板光板分析

4.1 焊盤表面及剖面分析

為了確認(rèn)未焊接的印制電路板光板鍍層是否存在異常，對未焊接的印制電路板焊盤進(jìn)行表面分析及剖面分析，結(jié)果：

（1）表面分析：如圖4所示，未焊接的印制電路板焊盤表面形貌未見明顯污染和鎳腐蝕現(xiàn)象；如表3能譜元素EDS分析，焊盤表面含有碳、氧、磷、金、鎳元素，未發(fā)現(xiàn)有異常元素存在。

圖4 表面分析圖

（2）剖面分析：如圖5所示，未焊接印制電路板光板焊盤切片后，局部位置存在輕微鎳腐蝕現(xiàn)象，但此現(xiàn)象并不能導(dǎo)致焊盤出現(xiàn)大面積金不熔的現(xiàn)象。能譜EDS元素顯示鎳層磷含量為9%～9.5%之間，屬于正常范圍。能譜元素EDS如表3所示。

表3 未焊接焊盤成分（%）

圖5 剖面分析圖

4.2 焊盤金厚測量

焊盤縮錫區(qū)域的化學(xué)成分無明顯異常，未發(fā)現(xiàn)外來元素。剝離金層后鎳面結(jié)晶正常，鎳層中磷含量滿足規(guī)范，無鎳面腐蝕的現(xiàn)象。后對縮錫部位焊盤清洗后焊料仍無法潤濕。綜合分析，懷疑金層本身存在問題，同時如表4、表5所示，金厚已低于0.025 μm。

表4 已焊接不良板的未焊接焊盤金厚測量數(shù)據(jù)（μm）

表5 未焊接板的焊盤金厚測量數(shù)據(jù)（μm）

4.3 俄歇電子能譜定性定量分析

由于懷疑金層本身存在問題，因此需要使用了一種淺表分析方法 AES（俄歇電子能譜），俄歇電子能譜技術(shù)（Auger Electron Spectroscopy，AES），通過俄歇電子的能譜檢測和數(shù)量來進(jìn)行定性定量分析。AES應(yīng)用于鑒定樣品表面的化學(xué)性質(zhì)及組成的分析，其特點(diǎn)在俄歇電子對極表面甚至單個原子層，僅帶出表面的化學(xué)信息，具有分析區(qū)域小、分析深度淺和不破壞樣品的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于材料分析以及催化、吸附、腐蝕、磨損等方面的研究。

（1）俄歇電子能譜分析（AES）。

①當(dāng)產(chǎn)品表面存在微小的異物，而常規(guī)的成分測試方法無法準(zhǔn)確對異物進(jìn)行定性定量分析，可選擇AES進(jìn)行分析，AES能分析≥20 nm直徑的異物成分，且異物的厚度不受限制（能達(dá)到單個原子層厚度，0.5 nm）；②當(dāng)產(chǎn)品表面膜層太薄，無法使用常規(guī)測試進(jìn)行厚度測量，可選擇AES進(jìn)行分析，利用AES的深度濺射功能測試≥3 nm膜厚厚度；③當(dāng)產(chǎn)品表面有多層薄膜，需測量各層膜厚及成分，利用D-SIMS（動態(tài)二次離子質(zhì)譜）結(jié)合AES能準(zhǔn)確測定各層薄膜厚度及組成成分。

（2）為了確認(rèn)上錫不良焊盤及未焊接的印制電路板光板焊盤的表面成分狀況

現(xiàn)通過AES對上錫不良焊盤（酒精+超聲波清洗后）、未焊接印制電路板光板進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6、表6、表7所示，濺射深度參照硅片濺射速度進(jìn)行計(jì)算得出。

表6 焊接不良板焊盤表面清洗后AES測試結(jié)果(At.%)

表7 未焊接板焊盤表面AES測試結(jié)果(At.%)

圖6 AES分析圖

（3）上錫不良焊盤深度0～9.6 nm范圍，主要含有較高的碳、氧、鎳元素；深度19.2 nm，探測到金元素，隨著深度的增加，金元素又逐漸降低。

以上規(guī)律說明，金層內(nèi)部已經(jīng)存在較高含量的鎳，高鎳的存在影響了金層化學(xué)特性。金鎳互溶的直接影響有兩點(diǎn)：（1）元素金的化學(xué)特性消失，鍍層表面能增大，潤濕力減??；（2）鎳原子向金層中擴(kuò)散導(dǎo)致鎳原子與氧氣接觸的概率增大，氧化鎳本身可焊性差，進(jìn)一步惡化鍍層可焊性。

（4）未焊接印制電路板光板。距離未焊接印制電路板焊盤表面深度4.8 nm，開始檢測到鎳元素；距離焊盤表面深度14.4 nm，無金元素存在。測試結(jié)果顯示金層厚度偏薄（0.025 μm=2 5 nm），IPC標(biāo)準(zhǔn)為金厚在50～100 nm之間，才能保證焊接表面擁有優(yōu)良的潤濕性能，但由于更多的終端為了節(jié)省成本，會按25 nm的金厚制作，當(dāng)沉金出現(xiàn)管制偏差及金厚測量儀出現(xiàn)誤差時，會最終導(dǎo)致無多余的金保護(hù)鎳層。在本應(yīng)純金層的區(qū)域已出現(xiàn)了鎳/磷元素，產(chǎn)生了金/鎳互溶體，金層區(qū)域出現(xiàn)了異常，盡管從焊盤表面觀察仍舊“金光閃閃”，但已非我們熟知潤濕性極好的金面?；ト艿脑颍航?鎳互溶其本質(zhì)就是鎳擴(kuò)散到了金層，表面物化性能發(fā)生變化，表面能、反應(yīng)驅(qū)動力均改變，難以溶于焊料，最終的結(jié)果就是金層不熔，縮錫。

鎳擴(kuò)散的主要來源：①沉金液中鎳離子超標(biāo)，金層中夾雜鎳離子；②鎳層原子擴(kuò)散，由于金原子尺寸遠(yuǎn)大于鎳原子，提供了鎳擴(kuò)散的路徑，而具體的擴(kuò)散速度與擴(kuò)散時間、溫度相關(guān)；③金層厚度過薄，對鎳擴(kuò)散提供了方便。

5 不良焊盤上錫性驗(yàn)證

為了進(jìn)一步確認(rèn)焊盤可焊性，對上錫不良位置清洗后（酒精+超聲波）進(jìn)行浸錫試驗(yàn)，并觀察浸錫前后焊盤潤濕狀況，如圖7所示。

圖7 清洗前后焊盤潤濕狀況

不良焊盤經(jīng)過清洗并浸錫后，焊盤仍存在上錫不良現(xiàn)象，這側(cè)面證實(shí)了AES分析結(jié)果的正確性，即焊盤金層的金鎳互溶嚴(yán)重影響可焊性，這種不良無法通過清洗或者改變焊接條件來得到優(yōu)化?？珊感詼y試條件：錫爐溫度255 ℃、浸錫時間5 s。

6 未焊接印制電路板光板上錫性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證未焊接PCB光板焊盤的上錫狀況，對與焊接不良的PCB同批次光板進(jìn)行浸錫驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示，不良同批次光板浸錫后，發(fā)現(xiàn)部分焊盤上錫不良現(xiàn)象，同樣表現(xiàn)為金層未溶入焊錫，與焊接不良的PCB失效現(xiàn)象一致。

圖8 光板浸錫后

7 改善研究

（1）試驗(yàn)封孔劑對金厚偏薄板的補(bǔ)救措施將與焊接不良同周期的PCB光板進(jìn)行清洗烘干后，做鹽霧測試24 h，發(fā)現(xiàn)過封孔劑與未過封孔劑均有嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 光板封孔劑試驗(yàn)

（2）將與焊接不良同周期的PCB光板進(jìn)行清洗烘干后，加鍍至金厚0.03 μm再做鹽霧測試24小時，結(jié)果過封孔劑與未過封孔劑均有無腐蝕現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 加鍍金光板封孔劑試驗(yàn)

（3）取與焊接不良同周期的PCB光板，進(jìn)行清洗后，1塊浸泡封孔劑、1塊不浸泡封孔劑做浸錫測試，發(fā)現(xiàn)未浸泡封孔劑的板上錫性較差。取與焊接不良同周期的PCB光板，在化金前處理只開磨板和噴砂，加鍍金厚至0.03 μm后其中1塊浸泡封孔劑，另1塊不浸泡封孔劑作浸錫測試，發(fā)現(xiàn)兩者上錫飽滿無明顯差異，如圖11所示。而噴砂處理對上錫性無明顯幫助。

圖11 噴砂處理對上錫性試驗(yàn)

封孔劑是采用了分子識別技術(shù)，結(jié)合了超技術(shù)和納米修復(fù)技術(shù)，針對鍍層晶格缺陷等一些問題所導(dǎo)致的金層下面的鍍層易受攻擊，通過表面清洗、滲透交換、逐層修復(fù)和自主成膜等手段從根本上解決了鍍層隱患，能滿足高溫回流焊后的可焊錫性。

8 結(jié)論

（1）綜合全部分析判定失效現(xiàn)象為組裝生產(chǎn)過程中焊盤出現(xiàn)嚴(yán)重的上錫不良現(xiàn)象，局部存在明顯的縮錫，外觀檢查發(fā)現(xiàn)，不良板表現(xiàn)為焊盤潤濕不良、焊盤露金異常。表面分析及可焊性驗(yàn)證結(jié)果顯示：不良焊盤表面未發(fā)現(xiàn)異常元素，同時不良焊盤經(jīng)清洗后重新浸錫仍不上錫，故排除外來污染對焊盤上錫的影響。

（2）剖面分析結(jié)果顯示：上錫不良位置表面平整，未發(fā)現(xiàn)明顯焊錫殘留。鍍層放大后，未發(fā)現(xiàn)明顯鎳腐蝕現(xiàn)象，排除鎳層腐蝕對焊盤上錫不良的影響。

（3）未焊接光板鍍層分析結(jié)果顯示：焊盤表面含有碳、氧、磷、金、、鎳元素，未發(fā)現(xiàn)異常元素存在。焊盤切片后，局部位置存在鎳腐蝕現(xiàn)象，但此現(xiàn)象并不能導(dǎo)致焊盤出現(xiàn)大面積金不溶現(xiàn)象。鎳層磷含量為9.0%～9.5%，屬于正常范圍。

（4）AES分析結(jié)果顯示：上錫不良焊盤表面深度0～9 nm范圍，主要含有較高的碳、氧、鎳元素；深度19.2 nm，探測到金元素，隨著深度的增加，金元素又逐漸降低。以上規(guī)律說明，金層內(nèi)部已存在較高含量的鎳，高鎳的存在影響了金層化學(xué)特性。金/鎳互溶的直接影響有兩點(diǎn)：（1）元素金的化學(xué)特性消失，鍍層表面能增大，潤濕力減?。唬?）鎳原子向金層中擴(kuò)散導(dǎo)致鎳原子與氧氣接觸的概率增大，氧化鎳本身可焊性差，進(jìn)一步惡化鍍層，根本為金層厚度過薄導(dǎo)致。

（5）通過浸泡封孔劑的方式可以減緩鎳層氧化速度，可進(jìn)一步改善可焊性問題，但最終的根本解決原因還是需要將金層制作大于0.03 μm才能確保鎳層被保護(hù)良好，不受高溫氧化影響。