对PCB 清洗前后的空焊盘进行可焊性测试,发现均存在明显的不润湿和反润湿现象,焊盘可焊性不符合标准IPC-J-STD-003B 的TEST C1 项的技术要求,表明上锡不良不非因焊盘表面污染造成。用SEM/EDS 对失效样品进行分析,发现上锡不良主要表现为焊料对PCB 焊盘严重润湿不良。所检焊点引脚一侧焊接界面可见均匀连续且厚度适中的IMC 层,表明焊接工艺不存在问题。所检PCB 焊盘一侧焊接界面IMC 层不连续,且焊盘镍镀层普遍存在微小裂缝,但尚未能充分证明焊盘的不良由此引起。
进而对PCB 空焊盘以及焊接后的焊盘表面进行SEM/EDS 分析显示,焊盘表面均存在明显开裂,但没有发现镍镀层表面有明显的腐蚀或氧化现象,对镀层厚度的检测还发现金镀层的厚度符合有关标准的要求。
进一步采用X 射线光电子能谱仪对PCB 空焊盘以及焊接不良焊盘表面进行元素深度分布分析,结果发现焊盘非常浅的表面均存在镍元素,表明镍元素在焊接之前已扩散到金镀层表面,镍扩散至金镀层而形成的镍金固溶体增加了金元素在焊接过程中向焊料内扩散溶解的难度,阻慢了焊锡浸润焊盘表面的过程,严重的甚至导致回流焊后镀金层仍然存在,外观检查的结果也证实了这个推理。只要焊盘表面的金镀层没有溶解,真正良好的锡镍合金焊点就无法形成。此外,镍扩散至金镀层表面还增加其氧化的机会,连同镍金固溶体的在焊锡中的难熔解性,严重降低PCB 焊盘的可焊性,导致最终焊接不良的发生。
根据扩散过程动力学原理,镍扩散的发生跟温度和时间有很大的关系。因此,加强在化学镀金的工艺过程中工艺控制,以及产品的贮存环境与时间的控制都需要严加考虑。
结论
对于润湿不良且无明显的氧化污染或被腐蚀的特征的非典型焊盘,业界一直找不到真正的原因。本文通过引入光电子能谱(XPS)的表面分析手段,对润湿不良的焊盘的表面化学物质组成及其深度分布进行了分析,结果发现镍镀层中镍的扩散至金表面,导致了焊盘可焊性的急剧下降。最终揭示了导致使
用该焊盘进行焊接而引起的焊接不良的主要原因,为下一步避免或控制类似问题提供了改进的依据。