沉金PCB焊盘不润湿问题的分析方法

简介

随着无铅化产业的推进，沉金工艺作为无铅适应性的一种表面处理已经成为无铅表面处理的主流工艺。无铅焊接峰值温度的提高，带来了更复杂的焊盘不润湿问题，给企业正常生产造成很大困扰。重点针对沉金PCB无铅焊接焊盘不润湿的问题进行了深入研究，整理了一套完整的焊盘不润湿问题的分析方法。为企业解决沉金PCB焊盘不润湿问题提供了有力的分析方法和手段。

随着无铅化产业的推进，沉金工艺作为无铅适应性的一种表面处理已经成为无铅表面处理的主流工艺。

沉金也叫无电镍金、沉镍浸金或化金，是一种在印制线路板(PCB)裸铜表面涂覆可焊性涂层的工艺，其集焊接、接触导通、打线和散热等功能于一身，满足了日益复杂的PCB组装焊接要求，受到PCBA(printedcircuitboardassembly，即PCB组装)客户的广泛亲睐。但随着无铅焊接峰值温度的提高，使焊接工艺窗口由50℃减小到15℃。焊料、PCB表面处理和元器件表面处理的多元化，出现了很多兼容性问题，尤其是带来了更复杂的沉金PCB焊盘不润湿问题。

如图1所示，失效样品上的焊盘普遍上锡不良，主要表现为焊盘部分区域未上锡，表面金层未完全溶进焊料中。而在正常的焊接过程中，镍金焊盘在高温焊接的瞬间，表面金层将急速溶于焊料中，形成AuSnX系列合金而快速脱离焊盘，迅速扩散到焊料之中。

本文将重点探讨一套完整的焊盘不润湿的分析方法，为分析解决沉金PCB焊盘不润湿问题提供有力的分析方法和手段。

图1润湿不良焊盘

焊接热量

当出现焊盘不润湿的情况，首先应该进行焊接工艺过程的因素排查。当焊接热量不足或锡膏润湿性差时，也会导致焊盘不润湿。所以首先需要对NG（NoGood）品上的上锡不良焊点以及上锡良好焊点进行电子扫描显微镜（SEM）切片分析，分析其锡膏对元器件的可焊端/引脚润湿情况以及其界面的IMC（金属间化合物，IntermetallicCompound）层厚度，以确定焊接工艺是否正常。

NG品上的不良焊点分析   

将NG品上的不良焊点制成切片，并对其截面进行SEM观察，如发现图2所示状况，即发现焊料缩聚在电阻可焊端，该界面润湿良好，界面金属间化合物厚度约为1.3μm。而焊料对焊盘则不润湿，不润湿区域可见明显金层覆盖PCB焊盘已上锡区域，焊料对PCB焊盘均已润湿。说明焊接热量和锡膏润湿性没有问题。

反之，如果发现器件侧同样没有形成良好的IMC层，则说明焊接热量不足或锡膏润湿性差。

图2不良焊点截面代表性SEM&EDS结果

NG品上的上锡良好焊点分析 

将同一个NG品上的上锡良好焊点制成切片，并对其截面进行SEM观察，如发现图3所示情况：焊料对元器件润湿良好，其界面处的IMC层厚度约为1.2μm，PCB焊盘侧也被润湿。说明焊接热量和锡膏润湿性没有问题。

金镍镀层厚度

一般金镍镀层焊盘表面要求金厚0.050～0.152μm，镍厚3～8μm。如表1所示，有研究结果表明金厚对焊锡延展性有显著影响，即金层越薄，焊锡延展性越差，金层越厚，焊锡延展性越好。

金镍厚影响焊接效果的机理是：金与银焊锡性都很好是因为它们在强热中能快速形成IMC(AuSn4与Ag3Sn)，且IMC还能迅速分散溶入液态的焊料中。金溶进高锡量SAC305焊料的速率可达2.995μm/s，银也能快到1.107μm/s，远超过铜(0.104μm/s)和镍（0.001μm/s）这2种基底金属形成IMC的速率。故沉金板不上锡时，排除掉焊接工艺因素后第一时间应该用金厚测试仪进行金镍厚的测试。

图3良好焊点截面代表性SEM图片

表1对比试验结果

镍层磷含量

根据SEM扫描微观图，低P含量的镍层晶格界限明显，而高P层的镍层表面晶格模糊，呈现非晶体结构。高P含量的Ni-P镀层，其优良耐蚀性能起因于它的非晶态结构，这种在非晶态结构中不存在晶界、位错、孪晶或其他缺陷，耐蚀性能相对较好。    

但是高P含量的镍层，因为有效焊接金属的减少，而焊接过程中，P是不参与到焊接合金层结构中的，所以当P含量超越一定程度时候，镍层表面将呈现非晶体结构，极大增加了镍层的耐腐蚀性，但同时其润湿性能、可靠性能将下降。在确定金镍厚度无异常时，就要进一步用EDX分析镍层磷含量，镍层磷含量质量分数一般在7%～11%。

镍腐蚀

在镍腐蚀严重时，往往会造成焊盘不润湿，即Ni层受到深度腐蚀而引起ENIG处理焊点断裂的失效模式。一般业界比较认可的镍腐蚀判定标准为：

1）在放大3000倍的条件下采用SEM观察，焊盘表面50μm范围内Ni腐蚀深度超过Ni层厚度40%的条数不超过4条；

2）IMC镀层不允许出现连续的Ni腐蚀，如图4所示。在出现沉金焊盘不润湿的情况下，要用SEM观察镍层纵切片，确认镍腐蚀情况。

图4镍腐蚀切片

焊盘表面污染

异常元素分析 

对上锡不良的焊点进行EDX（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy）成分分析，确认是否有异常元素存在。在PCB生产过程中，文字以及阻焊塞孔等工序可能会出现文字或者阻焊剂上焊盘导致焊盘不润湿的情况。

如图5所示，发现焊盘表面有异常元素Ti，Ti是字符油墨的特征元素，可以判定有字符污染物存在。针对字符污染焊盘的不良，可采用沉金前印字符工艺，这样可以有效避免字符污染焊盘导致的焊接不良，目前业界有多个PCB厂家采用沉金前印字符工艺。

图5不上锡焊盘EDX成分

有机物污染分析    

当进行EDX元素分析时，未发现明显异常元素存在时，就要观察氧含量是否正常。如图6所示，这个不上锡焊盘表面Au层氧元素含量较高，说明焊盘存在一定程度的氧化或者存在有机物污染的情况。    

进而依据IPC-J-STD-003B方法，用体积分数20%的HCl清洗不润湿的焊盘，清洗后如果可焊性明显改善，就可以进一步确认焊盘存在一定程度的氧化或者存在有机物污染的情况。    

无论是焊盘表面有异常元素存在，还是焊盘表面有氧化或者有机物污染物存在。经过笔者大量实践，在PCB包装前用体积分数1%～3%的稀硫酸+超声波水洗的方式进行PCB清洗，可以很好地规避焊接不良问题。异丙醇、柠檬酸以及盐酸的清洗方式作用有限，不推荐使用。尤其是盐酸要禁止对金面进行清洗，因为盐酸会带来严重的镍腐蚀问题。

图6不上锡焊盘EDX成分

金层氧化

当以上所有的分析结果都没有异常时，这个时候就要用SEM重点观察确认沉金表面后是否对金面进行了物理处理，比如喷砂。一般在金面有异常，例如金面污染、金面发红和金面氧化等正常酸洗流程无法处理时，有些PCB厂家会采用喷砂等物理方式对金面进行处理。

如7所示，在沉金后做过喷砂处理，整个金面的晶体结构已经完全破坏，有漏镍现象，这些位置会造成金原子之间的镍原子大量氧化，最终造成焊盘不润湿。

图7不上锡焊盘SEM分析

结束语

1）沉金PCB焊盘不润湿应从以下六个方面进行重点失效分析：

（1）焊接热量不足；

（2）镍层磷含量异常；

（3）镍腐蚀；

（4）金镍厚度异常；

（5）焊盘表面污染；

（6）金层氧化。

2）沉金后使用物理方式对金面进行返工，会造成金晶格变形，露镍位置镍氧化，进而造成焊盘不润湿。

3）在PCB包装前用体积分数1%～3%的稀硫酸+超声波水洗的方式进行PCB清洗，可以很好地规避焊接不良问题。

4）采用沉金前印字符可以有效避免字符污染焊盘导致的焊接不良，目前业界有多个PCB厂家在采用。