PCB熔锡不良现象背后的失效机理

样品信息

#1为失效样品，取#1样品中的RG11；#2为非同周期PCB板，取#2样品中的C37。

#1样品

#2样品

分析过程

外观分析

 

说明：#1样品RG11失效位置呈现无Sn润湿状态或退润湿状态，PAD面平整，有明显助焊剂残留。器件焊端均有明显的Sn润湿。

#1样 SEM分析

对#1失效点进行未润湿点的表征分析，下图为RG11典型PAD的SEM分析：

 

说明：#1样品RG11未润湿PAD，表面平整，且有明显的助焊剂残留。这说明在回流初期，Sn与这个面发生过作用。但由于润湿不良，导致焊锡无附着或退润湿异常。

#1样 EDS分析

对RG11失效PAD进行EDS成分分析如下：

 

 

 

说明： 对失效PAD进行成分分析，未发现异常元素， C元素约占30%（助焊剂主要成分之一）。

#1样 切片分析

取#1样品中的RG11进行切片分析：

断面金相分析

断面SEM分析

 

断面EDS分析

 

IMC厚度测量

说明：

金相分析：#1样品RG11进行切片金相分析，不润湿点的焊锡主要收缩到器件端子的位置（图示），PCB PAD上不润湿。润湿良好的焊点延伸出来的PAD上有明显焊锡。

SEM&EDS断面分析：

#1样品RG11未润湿PAD表层呈现合金化状态（IMC层裸露），以Cu、Sn组成，整体比例约40:60，说明合金层（IMC）构成为Cu6Sn5 。

#1样品RG11未润湿PAD的IMC厚度最大3.23μm，IMC厚度最小1.05μm。

#2样 镀层厚度分析

针对未回流的PCB测试下记标识点位PAD：

 

序号	Sn厚度	Cu厚度
1	9.217	16.23
2	5.704	15.20
3	6.748	13.63
4	7.321	19.13
5	1.283	12.66
6	1.146	12.33
7	1.488	12.26
8	1.055	12.98

 

注：厚度单位为μm。

说明：通过对#2的镀层分析可见，Cu+Sn（喷锡工艺），Sn的厚度Min1.055μm，Max 9.217μm，平均4.245μm。

#2样 断面分析

取#2样品C37对PAD位置进行切片分析：

断面SEM分析

 

断面EDS分析

 

 

说明：对#2样品C37 PAD位置进行断面SEM分析， PAD表层呈现合金化状态（部分位置IMC层裸露），IMC厚度最大1.23μm，IMC厚度最小0.93μm，IMC层的Cu、Sn比例约40:60，说明IMC构成为Cu6Sn5。

分析结果

原因分析

结合上述分析来看，对PCB PAD不润湿的失效分析如下：

1.PCB焊盘的表面处理方式为热风整平（喷锡）；

2.失效焊点PAD上无明显Sn（锡膏）附着，未发现异常元素， C元素约占30%（助焊剂主要成分之一）；

3.断面分析表明未润湿位置具有典型特征：表面合金化，即IMC层裸露。通过元素分析，IMC层的Cu、Sn比例约40:60，说明IMC构成为Cu6Sn5。

4.PCB的镀层分析Sn的厚度Min1.055μm，Max9.217μm，平均4.245μm。#2样品C37对PAD位置进行断面SEM分析， PAD表层呈现合金化状态。

失效机理解析

PCB表面Sn镀层厚度不均匀，导致局部位置焊盘表面的镀层合金化，即IMC层（Cu6Sn5）裸露。由于IMC含有大量的Cu，其熔点远高于锡焊料，从而造成焊盘表面可焊性降低，回流焊接时易发生焊盘不润湿，焊锡爬至器件焊端的现象。

典型失效图示：

 

注：锡厚度不均匀导致的镀层合金化是热风整平（喷锡）工艺PCB常见的失效模式。

　　审核编辑：汤梓红