【关键词】沉锡； FIB剖面制样； AES成分分析；上锡不良
【摘要】某双面PCBA上的沉锡焊盘在二次过炉过程中出现上锡不良现象，通过对失效焊盘、过炉一次焊盘、未过炉板焊盘进行表面观察、FIB制样剖面分析、AES表面成分分析等手段查找失效原因。结果表明：由于失效焊盘在第二次过炉前已经被氧化，且焊盘表面沉锡层厚度急剧减薄，从而导致焊盘上锡不良。
1、案例背景
失效样品为某型号双面贴片PCBA板，该PCB板经过两次SMT后，发现B面少量焊盘出现上锡不良现象，样品的失效率大概在千分之三左右。该PCB板焊盘表面处理工艺为化学沉锡，出现上锡不良的焊盘均位于第二贴片面（B面）。
2、分析方法简述
2.1外观检查
通过对失效样品进行外观检查，发现失效焊盘在PCB板上位置不固定，对失效焊盘进行显微放大观察，焊盘表现为不上锡，失效焊盘如图1所示，焊盘表面未发现明显变色等异常情况。
图1 失效焊盘的显微放大图
2.2 焊盘表面SEM+EDS分析
通过SEM分别对失效焊盘、过炉一次焊盘、未过炉焊盘进行表面微观形貌观察，如图2所示。结果表明，未过炉焊盘表面沉锡层成型良好，过炉一次焊盘和失效焊盘表面存在微小的凸起颗粒，表明沉锡层在过炉后表面生成晶须。
通过EDS分别对失效焊盘、过炉一次焊盘、未过炉焊盘表面进行成分分析，能谱图见图3，测试结果见表1。结果表明，焊盘表面均未发现污染元素，失效焊盘与过炉一次焊盘表面Cu含量相比与未过炉焊盘高。
图2 不同焊盘的表面微观形貌（3000X）
图3 不同焊盘的EDS能谱图
表1 不同焊盘的EDS测试结果 (Wt%)
2.3 焊盘FIB制样剖面分析
通过FIB对失效焊盘、过炉一次焊盘及未过炉焊盘进行来制作剖面，再通过EDS对剖面表层进行成分线扫描，具体结果见图4~9。结果表明：失效焊盘在表层已经出现Cu元素，说明纯锡层中Sn已经基本完全与Cu形成合金；过炉一次焊盘的表层在0.3μm左右深度出现Cu元素，说明过炉一次焊盘后，纯锡层厚度约为0.3μm；未过炉焊盘的表层在0.8μm左右深度出现Cu元素，说明未过炉焊盘的纯锡层厚度约为0.8μm。
由此可见随着过炉次数的增加，焊盘表面锡层厚度大幅下降，过炉一次后锡层厚度几乎不能满足再次焊接的要求。由于EDS分析精度的缘故，需采用AES对其表面进行高精度分析。
图4 失效焊盘FIB制样后剖面图（10000X）
图5 失效焊盘剖面的线扫描结果图
图6 过炉一次焊盘FIB制样后剖面图（10000X）
图7 过炉一次焊盘剖面的线扫描结果图
图8 未过炉焊盘FIB制样后剖面图（20000X）
图9 未过炉焊盘剖面的线扫描结果图
2.4 焊盘表面AES成分分析
由于EDS的检测深度超过沉锡层厚度，现采用AES（俄歇电子能谱，分析深度约为5nm）对失效焊盘和过炉一次焊盘的表面进行深度成分分析。
图10为失效焊盘在0~350nm深度范围的成分分布曲线图，由图可知，在0~200nm深度范围内，成分主要为Sn和O；焊盘在200nm深度出现Cu元素，在200nm~350nm深度范围，主要为铜锡化合物。成分分析说明失效焊盘表面已经不存在纯锡层。
图11为过炉一次焊盘在0~220nm深度范围的成分分布曲线图，由图可知，过炉一次焊盘表面在0~187nm范围内主要为C、Sn；在180nm左右出现Cu元素，说明在该深度已经出现铜锡化合物。由此可见，过一次炉焊盘表面锡层并未发生严重氧化，但金属件化合物已经长大，焊盘表面剩余锡层厚度极薄。
图10 失效焊盘表面0~350nm深度范围内的成分分布
图11 过炉一次焊盘表面0~220 nm深度范围内的成分分布
3、分析与讨论
图12为沉锡板焊盘的结构示意图，主要分为铜层、铜锡合金层、纯锡层及表层的氧化锡层，其中纯锡层可保证焊盘表面具有良好的润湿性[1]，在回流焊过程中，表层的氧化锡层会被锡膏中助焊剂的活性物质去除，锡膏与纯锡层熔融，使焊盘上锡良好，一般而言，焊盘表层至少要存在0.2μm的纯锡层，才能保证焊盘良好的可焊性[2~3]。
失效现象均出现在第二贴片面，说明NG样品在第一次过炉过程中，由于高温加速铜与锡之间的扩散，使铜锡合金层变厚，同时纯锡层氧化加剧，导致纯锡层被严重消耗；在第二次过炉焊接时，助焊剂的活性不足，表层氧化物未被完全去除（由AES成分分析可知），纯锡层厚度不足，焊盘润湿性差，导致焊盘不上锡。
图12 沉锡焊盘表面结构示意图
4、结论
NG样品均出现在第二贴片面，说明焊盘在第一次过炉过程中，由于高温作用加速铜与锡之间的扩散，使铜锡合金层变厚，同时加剧纯锡层被氧化，导致纯锡层变薄；在第二次过炉焊接时，助焊剂的活性不够强，表层氧化锡未被完全去除，且纯锡层厚度不足，导致焊盘润湿性差，出现不上锡失效。
5、建议
（1）使用活性更强的助焊剂，增强锡膏去氧化层能力；
（2）增加PCB板沉锡层厚度，保证在过炉一次后，锡层厚度仍能满足可焊性要求；
（3）增加氮气保护，降低焊盘表层氧化。
6、参考文献
[1] 苏章泗. 化学沉锡工艺初探[ J]. 印刷电路信息, 2001, 5.
[2] 李伏, 李斌. 你了解沉锡吗[ J]. 印刷电路信息, 2012, 9.
[3] 李伏, 李斌, 辜小谨. 沉锡PCB焊接失效分析方法[ J]. 印刷电路信息, 2014, 3.
来源：美信检测实验室
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