PCB化学镍金(ENIG)板焊接不良和回流焊不良的分析、区分——PCB测试手段综合运用实例探讨

PCB化学镍金【ENlG)板焊接不良 和回流焊不良的分析、区分 ——_PcB测试手段综合运用实例探讨 南京依利安达电子有限公司 吴晓飞 【摘要】 微切片是电路板内部品质检查的一种常用手段。按IPC-6012B的说法是在100倍放大仔细观察 其画面品质，然后参考规格进行允收和判退。发生争议时用200倍的倍率进行仲裁。 但微切片的手法还可以针对PCB制程、PCB失效机理、SMT焊接失效机理等情况或研究发展的需 要进行深入观察，但这时常常需要放大400—500倍甚至1000倍。必要时还要辅以x—RAY荧光光谱仪、 扫描电镜(SEM)、x射线能谱仪(EDX)等设备进行验证。否则单凭切片图片的说服力十分有限。 本文将从对化镍金板在SMT厂商处出现焊接不良的分析入手，通过微切片并辅以X—RAY荧光光 谱仪、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDX)等设备的综合运用，论证、区分PCB化镍金(ENIG)焊 接不良和回流焊不良问题(冷焊、虚焊等)。供大家参考。 【关键词】化镍金EING回流焊reflow焊接不良defectivewelding区分distinguish DistinguishbetweenDefectiveWeldingandDefectiveReflow SolderingofENIGPCB —珈iscussiononSyntheticalApplicationofTestingMethodsforPCB NanjingElec＆EltekElectronicsCo．，Ltd．XiaoFei，Wu AbstraCt： MicrosliceiSthecommonmethodtoinspecttheinnerqualityofPCB．Accordingtothe descriptionofIPC一6012B，thePCBwillbeacceptedorrejectedbasedontheimagequality underalOOXmagnifier．Fordisputeresolution，a200Xmagnifiershouldbeadoptedtojudge thequality． ButMicroslicecanstillbeusedforthefurtherobservationofPCBproductionprocess， malfunctionmechanismofPCB，malfunctionmechanismofSMTwelding，etc．orthedemandon researchdevelopment，butherethesliceshouldbemagnifiedat400to500times，even1000 times．Ifnecessary，X—RAYfluorescencespectroscopy，SEM，EDXshouldbeusedtoverify becauseitcouldn’tprovetoomuchonlybyasliceimage． ThearticlewillstartfromtheanalysisofdefectiveweldingofENIGPCB，whichiS madebytheSMTmanufacturer．WiththesyntheticaluseofX—RAYfluorescencespectroscopy， SEM，EDXandsomeotherinstruments，wecandistinguishbetweendefectiveweldingand defectivereflowsoldering(coldsolder，dryjoint)ofENIGPCBforyourreference． 我首先简单介绍一下PCB化镍金工艺和SMT回流焊工艺，并简单介绍由PCB化镍金工艺和SMT 回流焊工艺的相关制程问题导致在焊接时会发生的常见问题。因为这些问题所呈现出的表面现象具 有一定的混淆性。不仔细测试、分析会给判断带来困扰，也是SMT工厂和PCB工厂经常争议之所在。 PCB化镍金工艺 大致工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 见下 纯 纯 酸 纯 纯 纯 纯 后 纯 化 纯 纯 化 回 纯 纯 水 水 水 水 预 活 水 水 浸 水 学 水 水 学 水 水 浸 化 收 洗 洗 浸 洗 洗 洗 洗 酸 洗 镍 洗 洗 金 洗 洗 ENIG的概述 PCB化镍金(ENIG)板兼具可焊接、可触通、可打线，与可散热等四种功能于一身，一向是各 种密集组装板类的宠儿，并早已成为其它表面处理所无法取代的地位。但当笔记型计算机之主机板 与后起的电话手机板上，其BGA或CSP焊垫既多又小的时候，由于其制程中的一些未克服的问题， 导致ENIG会发生焊锡性的欠佳，焊点强度不足，焊点后续可靠度低落，甚至焊点裂开分离，还会出 现镍面黑垫等问题。 ENIG的焊接原理 · ENIG高温焊接的瞬间，黄金层将急速熔入液态锡中，形成Au。Sn，的IMC进而迅速扩散进入焊锡中。 在Au层扩散后由焊料与Ni接触形成Ni，Sn，的IMC层，这样形成的焊点强度才较坚强和可靠。焊接良好 的焊点切片将清楚的看到均匀的IMC层。如果焊接时焊接热量不充足，虽然已经形成Ni，sn，的IMC层， 但由于热量不足会直接影响Au，Sn，的形成和Au的扩散速度，导致Au未必完全熔入焊锡，那么此时的焊 点强度将大打折扣。一旦收到外力将很容易裂开。 所以由上可见：ENIG可焊层所形成的焊点是生长在镍层上，而浸金的薄层在焊接过程中会迅速 溶入锡体之中。所以黄金本身并未参与焊点的组织，其唯一的功用就是在保护化镍层免于生锈或钝 化，否则将不能形成IMC也无法焊牢。金层越厚熔入焊点的量也将越多，反而会造成脆化以致焊点强 度越糟也越不可靠。而焊接温度不足也会对焊接造成非常大的影响。相关问题大致请见下表： 常见问题一览表 问题 问题产生分析 1)镍厚度不足2)薄金浸镀时间过长3)水洗水发霉4)金药液污染(Fe)5)有 金面红斑 机污染(绿漆溶出)6)镍镀层不良7)高温叠板8)Cu含量过高 1)活化液污染(尤其是Fe)2)活化液老化3)活化液温度过高4)活化后水洗 渗镀 不良5)Ni槽补充异常6)Ni槽液温太高7)蚀刻未净(残铜)8)叠板9) 活化时间过长 1)Cu面粗糙2)Cu面遇度氧化3)Cu面不洁(绿漆或显影液残留4)Ni面粗 金面粗糙 糙5)Ni镀液pH太高6)Ni错合剂低7)Ni镀液有不溶性颗粒8)前处理不 良9)不溶性颗粒带入Ni镀液中10)水质不洁 1)Ni槽补充异常2)Ni槽搅拌太强(循环量)3)Ni槽金属杂质污染4)绿 金面色差 漆溶入镀液中5)Ni槽活性太差6)活化不良 局部露铜 1)Cu面污染2)绿漆残留 1)Au面污染(指纹)2)化镍金后制程污染3)Au面红斑(Cu)4)锡膏污染 缩锡、沾锡不良 (Cu)5)冷焊6)镀镍层龟裂 1)电位差(独立线路或绿漆塞孔)2)活化不良3)Ni活性不良4)药液污染 露铜 5)Ni槽循环量过大 1)Ni面黑垫导致IMC结合不好2)金厚过厚(金层焊接时逸走不及时发生 焊点强度不足 金脆) 以上供大家参考。 89 SMT回流焊工艺 回流焊工艺概述 回流焊(Reflow)：是在表面贴装工业(SMT)中，用锭形或棒形的焊锡合金，经过熔融在制造 成锡粉(圆形的微小锡球)，然后搭配有机辅料(助焊剂)调配成为锡膏，经过印刷、踩脚、贴片、 再次回熔并固化成为金属焊点的过程。 根据SMT业界的普遍经验可知影响回焊质量最大的原因有四大关键：锡膏质量、印刷参数、回 焊炉质量、回焊曲线。 ． 本文争议主要是在回焊曲线和因它可能造成的问题与化金板问题导致的焊接问题的争议。所以 这里只介绍回焊曲线相关问题。 回流焊曲线原理 从回焊曲线分析回流焊的原理：当PCB进入升温区(干燥区)时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉， 焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元件焊端与氧气隔离；PCB进入保温区时，使PCB和元器 件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件；在助焊剂活化区，焊膏中 的助焊剂润湿焊盘、元件焊端，并清洗氧化层；当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔 化状态，液态焊锡润湿PCB的焊盘、元件焊端，同时发生扩散、溶解、冶金结合，漫流或回流混合 形成焊锡接点；PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了回流焊。 其中因为回焊曲线部分温度不匹配或部分温区温度不均造成的常见问题见下表： 焊接常见问题表 问题 问题产生分析 温度曲线设置不当：升温速率过快，金属粉末随溶剂蒸汽飞溅形成焊锡球；预热区 焊锡球 温度过低，突然进入焊接区，也容易产生焊锡球。 气孔、针孔 升温区的升温速率过快，焊膏中的溶剂、气体蒸发不完全，进入焊接区产生气泡、针孔。 冷焊 由于回流温度过低或回流时间过短，焊料熔融不充分。 峰值温度过高，焊点突然冷却，由于击冷造成热应力过大。在焊料与焊盘或元件焊 焊锡裂纹 端交接处容易产生裂纹。 以上供大家参考，部分问题也有可能由PCB原因造成。也正是由于以上部分问题的争议性才会 有下面的争论。 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 情况和SMT厂家分析(无铅焊接) 案例发生情况： 测试发现不良机板，到仓库取料型不良机板**pcs。不良现象为不进入测试，测不过，周期捣宰，I：术宰。 多数为BGA处，其它少数焊盘也出现拒焊现象。 实验过程： 1．到线照x-ray无发现有空焊半焊之不良状况。 2．到我司宰雒修用利器直接取下BGA，实验2pcs，发现有*PCS原材料吃锡不良抗焊现象(图片 中PCB吃锡良好焊点连接之铜线已被拔起，不良焊点仍有表面金层未被损坏之现象。不良之焊点于 40倍放大镜下观察，没有发现有异物、脏污之不良)。 3．不良品多数都为PCB金层未被破坏而抗焊，对不良焊点实验：用刀片将不良焊点金层破坏便 可上锡，说明是金层表面有异物，或是表面含有其它杂质，破坏了正常焊接。 4．请另一家供应商测试表面元素。除表面有c外遗有O、Cu。并且从实验数据看Au层表面 Cu含量要高于Au的含量。为取证此点，我司对不良焊点用XRF测试仪读取抗焊之PCB不良焊点 元素含量，发现同样有Cu，而且Cu的含量相对高于Au的含量。 厂家结论：此不良现象为PCB来料焊接质量的本身问题。所以导致本厂生产线的焊接不良情况。 部分实验照片见下： I用川片直接将l蝣^撬I 起后圈片 撬起唧与附后B6^±焊接正常 点．焊接f常之焊点BGAE锡球台 有向内部口的口点(BGA锝球的锡点 大_：f二髓焊点．回出珊半包现象) 束E锡之1、龃焊点．仔细观察会麓现金面跗有一层透明崭质．经s盯胂i卿啪认，此物质为助焊剂。但此不良并 不影响焊点吃锝情优(P∞持J二镊膏，喷洒助捍荆后过炉时，锅膏起到助焊作用，当哪板盘臣与镉膏虬投蹦上锡 球开始洛音时，田PcB焊点较太会吸引融化的铅向下坠，此时正常情况下多余助焊剂会被挤压向焊点的周边而挥发井 在胤睦群r少数残留物，但困本身P四抗焊原盐，在}＆溶台畸．P衄焊点不吃锡，致使融化的锚筏Ⅸn焊点拉起， 这样助悍剂未起到助焊作用，Ⅲ被向上拉起的料m拉起，并覆盖在盘瞄表面．由f高％助焊剂挥发留F张留物)。 ■嘲菌一一一纛一一一戮习 ：_．．[畔魅≮隋o≯0 R 综合厂家以上的反馈．我们对问题板展开的分析和论证： 对问题扳检查靛现： l BGA焊接处取FBGA兀器件后，有大部分BGA焊点根木没有1．锝．金层完好无损．RG^末与P^D 形成焊点的L回熔的锡球与PAD相对的向圆滑正任何焊接．接触迹象。BGA锡球敷暗疏橙与冷焊情况 十分相似。未取下1{G^的不良板有部分DGA焊点虽然形成焊点，但锡球和岿"El】已经裂开(焊锡裂纹)， 所以我目』怀疑出现虚焊情况。 2币l‘锡的金崖未被破坏的盘川去污水处坪和橡皮处坪。再次焊接，夫部分盘I：锡，极少部分 盘仍小j：锡，但用刀片轻轻的刮金农血(金裘血保持完整)后，用手l。焊能}嘲。 3问题板数量较少。后续板(1司型号小l可批次，先后顺序沉金的扳。期问术政动过任何参数。 H是筮赞时问有先后之分)未冉发乍相川情M。 综合以上和』家反馈枷步分析后肯咀下怀疑 l网焊过觯巾怕突发局那温度失温或局部温度小均特况，坤致BGA处焊接冷焊、虚焊， 2部分金面存在小明污染。 3会面玎染并小像PCB制样卓身的缺m和操作失议甘致。 为此胜什以r实螗项H布I骑证： 1切』1椅布小L锡的板圳d批_，=扳埘接曲情况和镀Ji情况。榆☆Au和NL【m足青异常。 2切』1榆卉B(-A}锡小良年u裂缝处蚪接抖【f_1情况，观察是☆自抟焊、虚焊晴况。 3使川xI／AY荧光咒谱倥对‘q批次收进仃大量00试．测试AuIftfNi的厚』皇。 d请熟悉的，设嚣祭什好∞曲家筇一方帮忙，进行slrM和㈣x分析，j、f^』批改扳进{=亍人量SE虾IJ EDx测试，A找nJ能发生的珂染隋抛。(由十J家测试足直接刚小ta．扳址行儿拳测试，其㈨无浊排除 焊接中的各种}0染灶帮{峙＆越BGA时的制微刮伤戏留，所以找们进“人魁洲试，?凸_找同批次板禹址卉 打f家提到的Au面上Ⅱ犬十“的隋眦) 5埘_|：】批敞板剥缘盒培肝观察是仃肯黑挚等Ni向异常睛砒。 实验部分州关照"及部分测试 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 摘录： 切H照¨椰^u咖放大照¨ 正常焊点切片 AU面 正常焊点∽片照H显示焊接过程中产乍，定数量的焊点卒州现象。此现象m现通常是锡岢中 的柯机物裂解成气或吸水成汽n焊接时逸走小及时导敛产牛气泡、引孔。柑IF焊接中较常出现。如 果隋况恶劣时会对焊点强度有很大影响。 ^u面正常，无不良情况盐乍。 焊接不良BGA切片2 焊接小良BGA』!{【片为J家描述的：“红色削内为t捌PCB抗焊导致BGA晰现不良甥球，仔细看会发现 不良之焊点成球形。片不像正常焊点有H槽”的燮似伸置切片照片。其中存焊接币[；BGA切片2中 叫以看到Au屠完好，BGA锡球灰暗疏松小如般BGA焊接良好处的锡球光精和质密，BGA焊盘完全无润 湿。就照H分析是典型的冷焊。 鲨静__鲨篓 BGA焊点裂开照片1 BGA焊点裂开照片2 BGA焊锡与盘裂开的照片观察后可以看出是已彤成IMC层但由于焊点强度小足，受外力后断=li【=的 情况。断裂于TMc生成处。没有Nj面腐蚀、变异现象。 所咀切片检盘结论是：切片照片显示存舟明显的冷焊和虚焊情况。lF常焊点有不少焊点空洞的 情况艇牛。所以就切片照片判断，本淡问题』皮牛丰要是由回岸曲线旺目d不良问题和凹焊工艺中的异 常导致。 x PAY荧光光罄仪检查结果 其巾一组At·和N·的测试结果和数据分析 测量结果(um) 4 385 0 087 6 7 0 054 攀一 数据分析 最大值： 最小债： 范Ⅲ- 甲均仿 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差： 丌分比误芹： xRAY荧光光谱仪测试Au和Nl的厚度的数据结硷：Au剌Nl厚度jE常，应该小会是导 致此次SMT』家焊接异常’隋况的原因。 其t}t部分I!DX检查报告见F 1 BGAf．锡小良龠、1层分析 SpeclrIlmDrt)ccssln￡。 PcocessingoptionAllcl⋯nbanalyzed (Normali㈣1) F】cTncnI Welgtn‘7,^1ⅢT11c％ PK 813 】4l2 NIK q】“7 H5％ Quantjtativeresults 】00 氅80 最60 P_40 兰㈤ 0 2}锚不良BGA盘^u口盼析(简单清洗，术破坏Au层电没哲对^u㈨抛刮) Quantitativeresu]ts ⋯ 黼 一urH 。．。 t 必丛；型b．：辇‰ EDX检查结论(两家结论大致一样)：所有测试没有发现客广提到的Au而m现大量cI】的情砒．没 有发现NlI自J腐蚀情况发，上。对不良板不做焊接的孔环部位做叻x分析，会层上除了Ni、Au成份外，还 含有c、o成份．而镍层成份正常，说明镀层本身没有异常，应谆是表层(金面)在沉镍台后续制程 受到了有机物的污染。同批次束焊接的板束发现有任何相同的污染情况存在。所以污染原闻基本叮 以排除mPCBN程的本身原凼导致的可能性。 SEM麒片腱分析 根据检查发现和照片客户的卜锡不良扳靛现在焊接过程中产生气泡和连续裂痕『『J现象(龋1锡裂 缝)。部分B6A位置锡球17盘凼为焊锡裂缝导致虚焊。 气泡多发生稿州·血以h儿处在IMc的包裹中或与焊锡的扩敞边缘。所以此多数气泡应该是锡膏 中的有机物裂解成气或啦水成汽祚焊接时逸走不及时导致。 焊锡裂缝甘毁蝌点虚蚪，观察艘人的H片发现IMC层厚度擞小均匀(SEMl)而儿个部出现在TMc 层中或I∽‘]焊锡培的接触商，对此裁判断商该是焊接温度不足，导致正常H1，sn。帕1Mc培形)芷不足， 而Au，sn、和其他影响焊点的币利IMC未必完全熔八焊锡，逸走不及时。或峰值温度过高，蚪点突然冷 却．由]击冷造成热应力过_凡。托焊料与焊盘变接处产生裂纹。未见镍屎腐蚀，请参照图片(semi、 sem2) 、’。I“、≮1|、、、0“；。V，、’一。．-．＼_、、_、，、—■一■-■_■_ sere3 sere4 sem5 根姑椅商发现和照片，金层在焊接过科tI-址槛肯完全熔解(上锡但金层没有与之熔解，完全没 肯和镍结合)，叮能足焊点金层存#{接前受到H染或焊接温度没有达到，导致金层小熔⋯现焊接不 黼淄 燃j麟 带件板孔环Au面 对小照板小做焊接的扎珂、部他做SEM分析 片(带件板孔珥^u面、带什板孔环Ni㈨) SEM椅查结论如下 带件扳孔环N面 会层和镍层船格致崭．镍层束见腐蚀，请参照sⅢH i 失效PCBAP锡小岛与PCB焊盘N1／Au层氧化或腐蚀没有关联性．丛奉排除TPCB焊盘N【／An麒存 布氧化或腐蚀导致焊盘质量劣化而降低其ur焊性的r_『能性。 2造成PCBAj锡小照的原IN极¨r能与叫焊工芝中的参数是卉柑当有关．IⅡ焊接自口焊盘受到污驰 也是其中一个川能性较大的嫌洲。 3建泌特别沣意塌。接过程中蚪料的使川或焊接温度的址置，【5JJJL在埘接过程中mJ盘层束懈产 生气泡造成焊接不良和虚焊现象。 各项测试汇总结论 综合微切H、XRAY荧光光谱仪、x射线能谱仪(EDX)、扫描电镜(SEM)的所有测试结粜．并H综 合本次PCB焊接异常的实际各方面情况我做出吼r分析结论： 此次BGA及少部分焊盘不良现象主耍是由回焊曲线中部分I般的同焊温度异常导致BGA部位受热 小良．掺杂少部分小叫f#JAu血行靴所共l叫导致的问题。tj】=非PcB本身制程缺陷或乍产火溟目i造成的琏 锁反应。根制^1l面污染数量和实际出现位置和再项分析也nr以判断，¨㈨污染小是山PCB$0样本口和 后续清洗、包装蛩毁。^u面污染J“生应浚是在SMT／商拆包经过锡育Eli雅、踩脚、贴H、再次凹熔的 过程中产牛。 结束语 以I‘分析虽然结束了世返¨的情况可r％fff6我身边不断拉生前。婴作到完全区分清楚实在是非 常不容易。运用∞ 的测试f段U经没有办法满足人部分讨题分析和判断的需茧。只有综台运用nJ 以运用的一切分析于段，尽可能的收集枷芙证措√可以做出适'hi*ll客观的判断。木文中观一_供^家 毒考、讨论。最后找在这里祝大家好运一谢谢一 感谢 本文完成多谢集团公刊币】公司各位领导的多年培养。多谢各忙公川司事的支持。多谢SEM和ESX 分析设备的提供方。多谢我的各位朋友。 参考文献： f1]PcR技术网 [2j8MT技术州 作者简介 工作单竹：南京依利安逃电子宵限公．1／NANJINGELEC＆ELTEKELECTRONIC c0Itd 电话／Tel：02585803800130传真／Fax．02585803886邮件／Email njqe@elece]tekccJm 个人简介：吴晓E，男．^争。1998年进入南京依利安达电有m公刊。现 仟南血依和J安边电有限公司品质上科lll【j。现}舞负责实验窀的日常运行管坪、 数蚶管理分析、切片分析，各项测试I．作的指导、监督、改善。 PCB化学镍金(ENIG)板焊接不良和回流焊不良的分析、区分 ——PCB测试手段综合运用实例探讨 作者： 吴晓飞 作者单位： 南京依利安达电子有限公司 本文读者也读过(10条) 1. 高峰 高端通信产品PCB表面处理应用探讨[会议论文]-2007 2. 熊佳 无铅化对基板材料性能的要求[会议论文]-2007 3. 王芳槐 可焊性问题浅谈[会议论文]-2003 4. 俞家风 介绍两种无铅引脚元器件的焊接和检验方法[期刊论文]-航天制造技术2009(5) 5. 杨建生 高效率、低缺陷的波峰焊接技术[会议论文]-2004 6. 双志宏 《电子工艺实习》教学中的回流焊接技术[期刊论文]-山西冶金2007(5) 7. 张炜.成旦红.郁祖湛.Wemer Jillek PCB上SnAgCu钎料焊点的电化学迁移研究[会议论文]-2007 8. 丁德勤 电子电气元件的焊接技巧[期刊论文]-农村电工2008,16(8) 9. 谢健浩 日趋成熟的无铅技术对回流焊的要求[会议论文]-2008 10. 陈炀.CHEN 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