沉锡PCB焊接失效分析方法介绍

李 伏 李 斌 辜小谨（汕头超声印制板公司，广东 汕头 515065）

沉锡PCB焊接失效分析方法介绍

李 伏 李 斌 辜小谨
（汕头超声印制板公司，广东 汕头 515065）

根据多例沉锡焊接失效案例，对导致沉锡PCB焊接失效的原因进行了分析，并详细的介绍了多种沉锡PCB焊接失效分析方法。

沉锡；电路板；可焊性；失效分析方法

沉锡表面处理具有成本低、不容易变色、可以返工、平整度高、铜锡焊接可靠性高、满足无铅焊接需求等众多优点，因此近些年随着无铅焊接的广泛实施，沉锡表面处理在PCB各种表面处理中所占的比重也逐年上升，尤其是在具有高可靠性需求的PCB，如汽车电路板中得到了越来越广泛应用，但随之而来的便是客户时有投诉的可焊性不良问题。那么导致沉锡PCB焊接失效的原因是什么，又如何对沉锡焊接失效板件进行原因分析呢？为此本文详细阐述了导致沉锡焊接失效的各种原因，并结合众多失效案例，介绍了多种沉锡焊接失效分析方法，希望能给业界同行在分析沉锡PCB焊接失效原因时提供一定的方法参考，进而控制好沉锡品质。

1 焊接不良的定义

焊接实质上就是使熔融的焊料与焊接衬底，即待焊接表面接触，通过焊料与焊接基材之间的原子相互扩散，在界面上形成一层金属间化合物（IMC）的过程。焊料润湿过程主要包含以下三个步骤：

（1）液体焊料在基底金属上面扩散，接触角由界面张力的平衡来决定；

（2）基底金属溶入液体焊料；

（3）基底金属与液体焊料起反应形成金属间化合物（IMC）。

当焊料无法润湿焊盘表面时，则出现焊接失效或焊接不良。根据焊料润湿焊盘表面的特征来分，焊接失效又可以分为以下四种类型，其焊接失效图片如图1所示，相关焊接失效类型定义如下：

Dewetting（反润湿）：本来焊料是扩展平铺开了，但是又缩回去了，中间留下了锡爬过的痕迹，在空焊盘上很容易看出来。

Poor wetting（润湿性差）：顾名思义，有些地方没有锡。

Non wetting（不润湿）：根本就没有润湿，锡成球形。如水银在桌面上，成水珠形状。

Cold soldering（冷焊）：焊点是灰色的，粗糙,如同焊点是生的，没熟。熟的焊点较亮（无铅焊点偏暗）。

图1 焊接失效典型图片

2 沉锡PCB焊接失效原因分析

焊锡性好坏主要与表面自由能有关，也就是可焊性取决于被焊底金属表面的自由能及焊料本身的表面能。凡底金属表面能大于焊锡本身表面能，则焊锡性较好，反之较差，甚至出现不沾锡的情况。在实际焊接中引起焊接不良的原因主要有以下几个方面：

（1）焊接热量不足；

（2）锡膏活性太低；

（3）预热时间太短或温度太高；

（4）PCB表面处理不良；

（5）回流时回流区温度不足、时间太长或太短；

（6）零件脚氧化、污染或变形等。

沉锡表面处理的焊接机理比较简单，即焊料熔融后，铜与锡直接反应生成Cu6Sn5的合金层。由于是铜与锡的直接焊接，因此润湿效果远好于沉金等表面处理，且焊点强度高，可靠性好。但在实际装配焊接过程中，沉锡PCB也时有焊接失效问题发生。从焊接失效案例分析来看，锡面污染、锡厚不足是影响沉锡板件可焊性不良的主要原因，其可焊性不良原因的鱼骨图分析如下图2所示。

3 沉锡PCB焊接失效分析方法介绍

沉锡PCB焊接失效分析大致可以按几大步骤进行，即失效现象观察及失效原因初判→失效原因分析→得出失效结论。在实际的沉锡焊接失效案例分析中，可以综合以下几种方法对失效的原因进行具体分析，以使分析结果全面、准确，确保找到导致焊接失效的真因。以下将结合实际失效案例对各种沉锡失效分析方法及手段进行介绍。

图2 沉锡PCB可焊性不良原因鱼骨图

3.1 焊接失效现象观察及失效原因初判

当收到焊接失效的PCB样板时，首先需了解失效PCB板件的数量、比例、生产时间等相关信息,然后对焊接失效情况进行初判。首先需确认失效焊点是发生在第一次焊接面还是第二次焊接面，发生焊接失效的焊盘是局部润湿不良还是整面润湿不良。根据沉锡板件的焊接失效经验，第一面焊接后即发生失效的情况较少，焊接失效多发生在第二面装配时，且基本出现在局部位置。

3.1.1 案例一

图3是一个沉锡PCB焊接失效的案例，从图片上看双面焊接效果差异明显。即元件面焊接良好，无论是BGA还是SMT焊点均非常饱满。而焊锡面焊盘表面多处缺锡或锡量不足，从切片分析看，SMT上锡位置润湿角度正常，IMC生成均匀；对未上锡位置再次进行可焊性浸锡测试，均良好湿润；从未焊接的焊盘看，锡面颜色正常，进一步排除PCB锡面异常的可能性，因此失效原因应为局部印锡膏不良导致。

图3 锡膏印刷不良导致的焊接失效

3.1.2 案例二

图4也是一个沉锡焊接失效案例，经确认小元器件如电阻焊接强度都比较好，去掉元器件后焊点是露铜的，而将大一点的元器件去掉后，发现沉锡焊盘表面还有完好的锡层存在，表明焊料完全未润湿焊盘。因此从装配后的外观现象来看，初步怀疑是焊接时局部受热不良而导致的焊接失效。

图4 回流焊接受热不良导致的焊接失效图片

3.1.3 案例三

沉锡PCB焊接后常出现一个缺陷就是锡面变色。正常的沉锡PCB经过2次无铅回流焊接后仍可保持比较正常的亚银白色或轻微变色，因此如果PCB焊接后出现锡面颜色发黄、发紫、发黑等，多数是沉锡不良尤其是沉锡后清洗不良引起的（回流焊接温度过高也会引起发黄变色问题）。我们知道沉锡药水内含有甲基磺酸、硫脲等，沉锡后处理清洗时较难清洗干净，一旦回流时受到高温影响就会发生变色，因此为保证沉锡回流不发生变色，必须确保沉锡后清洗效果。如果想进一步确认锡面变色的原因，可以采用SEM及EDX等方法做进一步的分析确认。

3.2 锡层厚度分析

沉锡表面处理完成后锡与铜会形成铜锡合金（相关各层显微组织如图5[1]所示），且在PCB储存及老化的的过程中纯锡会不断与铜反应生成铜锡合金层，使纯锡层厚度不断减少，并最终导致可焊性不良。因此分析锡层厚度对查找沉锡焊接失效的原因就显得非常必要了。

图5 沉锡表面处理金相组织图（FIB拍摄）

3.2.1 沉锡层厚度分析

沉锡层的厚度对可焊性有一定的影响，根据实际生产经验，32 μm以上的锡厚即可满足两次无铅回流的可焊性要求。但由于沉锡后锡与铜会形成薄薄的铜锡合金层，且合金层厚度随着储存时间的延长会不断增厚，有时甚至可能生长到表面，引起严重的可焊性问题，因此为保证一定的储存期，一般要求沉锡层厚度控制在36 μm（XRF法测试）以上。如果锡厚不足，会导致锡层无法有效覆盖铜层，使锡层存在较多孔隙，PCB经过一段时间的储存后，尤其是经过一次回流焊接后，沉锡层多会发生变色。从SEM图片来看，沉锡后的锡层存在较多孔隙，无法有效覆盖铜面，导致回流后焊盘氧化变色。

由于回流焊接过程中的高温会加速纯锡层与铜反应生成合金层，因此在失效分析时单纯测试已焊接PCB纯锡层的厚度无法得知焊接前PCB锡厚是否足够。那么对于已焊接一次或双面都已经焊接的失效PCB，如何分析其焊接前的锡厚是否满足要求呢？对比沉锡厚度测量的两种方法即库伦法和XRF射线法（见下图6）我们发现XRF法在测试沉锡层厚度时有一个特性，即无论沉锡PCB是否经过回流焊，其锡厚并不随着回流次数的变化而变化，因此可利用XRF法测试回流焊接后失效PCB样板上未焊接沉锡焊盘的锡厚来推断PCB焊接前沉锡层厚度是否足够。

图6 XRF及SERA测试锡厚对比（不同回流焊接次数）

3.2.2 纯锡层厚度分析

纯锡层厚度测试的目的主要是评估焊接后剩余纯锡层是否能满足下一次焊接需求。图9是不同回流峰值温度及不同回流次数条件下纯锡层厚度变化的对比图。从图7可以看出回流一次后纯锡层的消耗最大，且回流峰值温度越高，剩余纯锡层厚度越少，因此如果焊接失效样品已经过两次回流焊，那么剩余纯锡层厚度一般只剩下0.2 μm左右。但由于沉锡失效多在第二面焊接后才出现，此时PCB已经过两次高温回焊，剩余纯锡层厚度已不多，因此此项分析对于寻找导致焊接失效的原因意义不是非常大，比较适合第一面焊接后即出现焊接不良，判定第二面是否有足够纯锡层用于焊接的情况。

图7 回流次数及回流峰值温度对纯锡层厚度的影响（SERA法测试）

3.3 金相切片分析

3.3.1 焊点形貌观察及IMC分析

金相切片分析主要用于焊点内部情况的观察，包括IMC的形成情况，焊料的爬锡情况、润湿角的大小及焊料的结晶情况等，也是沉锡失效分析中应用比较广泛的一种方法。图8是采用金相切片法来判定沉锡焊接失效原因的一个案例，失效现象表现为元器件引脚焊接不良。从外观上看，元器件的6只引脚只有一只出现焊接不良。采用切片法对比元器件两侧引脚的焊接情况，发现左侧焊接失效引脚上锡量明显多于另一侧引脚，但引脚与焊盘接触位置均有IMC形成，可焊性不良类似于芯吸引起的焊接失效。芯吸现象又称抽芯现象，表现为焊料脱离焊盘沿引脚上行到引脚与芯片本体之间，会形成严重的虚焊现象，是PCBA常见焊接缺陷之一，多见于回流焊中。芯吸现象产生的原因通常认为是元件引脚的导热率大，回流焊接时升温过快等导致，以致焊料优先润湿引脚。同时元器件引脚的上翘也会加剧芯吸效应的发生。解决芯吸问题一方面应认真检查和保证PCB板焊盘的可焊性，一方面要确保元件引脚的共面性，共面性不良的元器件不应用于生产。

图8 芯吸引起的焊接失效

3.3.2 焊点润湿角分析

润湿角是指被焊物表面与熔融焊锡相互接触的各接线所包围的角度，该夹角小于90°时表示润湿，大于90°表示不润湿[2]或润湿不良（指非阻焊定义焊盘）。润湿角大小是评估焊盘可焊性的一个重要指标，良好的润湿角度一般在45°±10°左右，角度越小锡膏在焊盘润锡面积越大，铺展率就越大。下图9是润湿角测试方法示意图[3]，即测试前在焊盘表面印上锡膏，回流后切片观察润湿角大小。

图9 润湿角测试方法示意图

图10所示为沉锡焊接失效的焊点，从切片来看，焊料与焊盘的润湿角非常大，已接近90°。虽然从切片来看焊料与焊盘产生了IMC层，但由于焊接过程中锡膏内的松香无法去除焊盘表面的污染物，导致焊料无法有效向前爬行。并最终导致焊接不良。

3.4 SEM及EDX分析

SEM（扫描电子显微镜）及EDX（能谱分析）可以用于进一步确认沉锡焊接失效的原因。SEM分析主要是用来看锡层是否有效覆盖铜面，沉锡层存在较多孔隙未能起到防止铜面氧化。EDX分析则多用于判定沉锡层是否被污染及污染物来源。如沉锡焊盘出现黑色污染物，EDX分析显示，正常焊盘成份只有C、O、Cu、Sn，而被污染焊盘则多了元素Si，对比阻焊油墨的成分可以知道Si是其特征元素，因此可以判定焊盘污染物为阻焊油墨残留。

图10 焊盘润湿不良外观图及切片图

对于沉锡PCB来讲，由于其表面处理的特殊性，因此无论是PCB厂还是装配厂都必须严格控制好储存及装配环境，规范操作，以防止锡面污染导致的可焊性不良问题。

4 结语

沉锡焊接失效原因分析需要多种方法的综合运用，加上必要的验证、实验，才能找到导致焊接失效的真因，从而为PCB企业做好沉锡品质控制及改善提供正确的改善方向。

[1]安美特化学有限公司技术资料. FIB-Crystal structure of all phase for immersion tin, IPC-610E.

[2]安美特化学有限公司技术资料. 化学浸锡工艺在线路板市场上的发展及技术上的应用.

李伏，硕士，高级工程师，主要负责PCB产品可靠性评估及新材料新工艺的可靠性评估，在PCB产品失效分析尤其是焊接失效分析方面具有较丰富的经验；

李斌，中级工程师，主要负责PCB产品性能检测及PCB认证产品的可靠性评估。

Soldering failure analysis methods introduction for immersion tin PCB

LI Fu LI Bin GU Xiao-jin

Based on many cases of immersion tin soldering failure cases, the soldering failures causes were analyzed, and a variety of immersion tin PCB soldering failure analysis methods were introduced in detail.

Immersion Tin; PCB; Solderability; Failure Analysis Methods

TN41

A

1009-0096（2014）03-0062-05