对焊锡不良的PCB板做微观以及表面元素分析

越来越多的电子产品选择化学镍金作为其最后的表面处理，化镍金是已经很成熟的工艺。众多周知，几乎所有的表面处理都会遇到可焊性的问题；因此，化镍金也不例外，对于引起化学镍金可焊性的成因业界所公布的原因也有很多，比如镍腐蚀，金面污染等等，但对于具体的焊锡不良，我们应该要做到具体问题具体分析。以前对于焊锡不良的分析所使用的仪器基本是用金相显微镜，再者只是凭借以往经验作出判断，并不能很科学的解释，现在借助于SEM&EDS对焊锡不良的PCB板做微观以及表面的元素分析，可以很好的为焊锡不良原因分析，提供可靠的数据支持，SEM和EDS必将发展为最常见的分析手段。

对化学镍金焊锡不良运用SEM &EDS分析进行详细解析：

1：针对焊锡不良位置（掉元件/缩锡）进行SEM&EDS检测
其目的是对问题点位置进行表面分析，检测镀层表面是否存在异常，是否存在金面污染，如下图1（具体元素污染项对应），从SEM&ED分析结果来看，断裂面上元素有C、O、Ni、P、Au，不难看出，上锡后板面检测出含有Au元素，正常的情况下上锡后Au会被融掉，此样品还存在板面有Au残留的现象，此为异常情况。

图1：断裂面PCB焊盘表面SEM&EDS图

 

2：针对问题产品未上锡或者未上元件的位置进行SEM&EDS检测

其目的是确认金面是否有异常元素，是否存在表面污染，并需进一步的对剥金后的镍面进行SEM&EDS检测，确定剥金后镍面的表面结晶状况以及镍层磷含量是否正常，如下图2为不正常处镍面SEM图，可以看到，表面我们可以形式“海绵”状的疏松结晶层：同时我们也对比正常的化金后金面以及镍面的SEM图，如下图3所示，正常的金面以及镍面没有明显的晶界裂痕，沉积的颗粒大小分布均匀。但当铜面或者镍面上有异常的现象时，我们可以看到如图4左所示的剥金后镍面的有裂痕、空洞，图4左边的现象可能为铜面的粗糙造成的，铜面的粗糙会导致镍沉积的颗粒大小不一，镍面的排列为大颗粒与小颗粒紧挨的时候晶界就比较大，容易在化金时，遭到金水的攻击。

图2：不正常处镍面SEM图

图3 左图为正常金表面SEM图片，右图正常镍面SEM图片

图4 左图为镍面有裂纹，右图为镍面有腐蚀空洞

3：上面对金面、镍面进行的SEM分析，下面将对金面EDS检测出异常元素的问题进行分析：
从图5的检测结果可以看到，测试出的元素有：C、O、P、Ni、Cu、Au，对比正常的分析结果，测试结果中的C、O、Cu三元素属于异常元素，一般情况下C元素含量在20%以内为外界环境污染所致（在取样或者检测过程中），而超过20%则为有机污染所致；O元素说明存在污染或者氧化，Cu元素说明金面在清洗或者保存过程中有Cu的污染，此现象极易造成金面发红，严重影响焊锡性；

Element    mass%
   C  K       37.46
   O  K       5.52
   P  K        2.6
   Ni K       24.43
  Cu K      10.16
  Au M      19.83
  Total       100

图5 异常金面EDS结果

4、下面图表列出最有可能污染金面而所相对应的元素：
表1列出了印制板厂生产中用到的一些可能对化镍金表面污染的材料，对于以后EDS检测的结果，可以做一个参考。

 

表1 不同材料EDS分析元素

 

5：针对焊接不良位置进行切片后SEM&EDS分析检测

其目的是检查是否存在镍腐蚀、焊接位IMC(Intermetallic Compound)层的状况、是否存在富磷层的状况等，图6分别显示了均匀连续的IMC层以及疏松的IMC层，我们知道均匀连续的IMC层焊接点才是牢固的，疏松的IMC层焊接存在焊接不良的隐患；正常的IMC层表现为：在连续均匀的情况下，IMC层维持在1-3um最为理想；而富磷层则控制越薄越好。

不佳的IMC层和过厚的富磷层主要是由于化学镍金本身镍层存在问题，或者在焊接过程中焊接的参数控制不当所造成。

图6 左图为正常的IMC层右图疏松的IMC层

6：针对焊接不良产品未上锡或上件的金面同样进行切片后的EDS检测，主要检测的是镍层是否存在镍腐蚀状况，检查镍层的状况；对于是否存在镍腐蚀这是有一个判断标准的，正常镍腐蚀按照“任天堂标准为镍腐蚀深度不超过整个镍厚的1/5，在一个可观测界面内少于三个位置存在腐蚀点。图7列举的是镍腐蚀比较严重的图片，图8列举的是正常的图片，从这两组图大家可以很清楚的看出区别点，在这里就不做多余的解释。

图7 严重镍腐蚀切片图

图 8 正常的镍腐蚀图

针对于出现焊锡不良的问题，原因查找要做两个测试：一是取问题板进行测试，针对于问题点进行表面的SEM分析，观察表面结构以及切片观察焊锡后的IMC层状况；再者就是对问题位置进行EDS元素分析；二是取同样批次的未进行焊锡的化金板进行析，这是针对问题板测试的结果进行必要的数据收集，测试包括表面的SEM&EDS分析。通过前面的两组数据的对比、分析，可以得出一个结果，对于寻找焊锡不良原因可以起到辅助作用。