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PCB熔锡不良现象背后的失效机理

actSMTC 来源:新阳检测中心 2023-08-04 09:50 次阅读

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

e43cb4c0-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

#2样品

e4fa85c2-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

分析过程

外观分析

e58bf19c-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

e5a6b248-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

e5be934a-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

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:

e5ce50e6-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

e6082f32-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

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:

e679118e-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

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e6ca1516-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

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

e6e1026c-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

e6f6c07a-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

断面SEM分析

e7128ba2-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

e729a526-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

断面EDS分析

e73cb5c6-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

e764c9a8-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

IMC厚度测量

e785443a-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

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:

e7a49e66-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

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

e7bfd8b6-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

e7ed5a84-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

断面EDS分析

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e8437928-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.jpg

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:

e867ee7a-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

e8824a2c-31e3-11ee-9e74-dac502259ad0.png

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

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原文标题:PCB熔锡不良现象背后的失效机理

文章出处:【微信号:actSMTC,微信公众号:actSMTC】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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