李志成 陳偉才 馬騰洋

（廣州廣合科技股份有限公司，廣東 廣州 510730）

失效分析是產(chǎn)品可靠性工程的一個(gè)重要組成部分。失效分析被廣泛應(yīng)用于確定研制生產(chǎn)過程中生產(chǎn)問題的原因，鑒別測(cè)試過程中與可靠性相關(guān)的失效，確認(rèn)使用過程中的現(xiàn)場(chǎng)失效機(jī)理。從案例中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造工藝的建議，防止失效的重復(fù)出現(xiàn)，提高產(chǎn)品的可靠性。

1 可焊性及失效模式

1.1 可焊性

金屬材料如銅、鎳、金、銀、錫等在一定的焊接工藝條件下，通過焊接形成優(yōu)質(zhì)接頭的可能性稱為可焊性。

焊接過程中，其焊料與被焊的金屬在高溫的作用下原子相互結(jié)合、滲透、遷移及擴(kuò)散，形成一層金屬間化合物（IMC），IMC的形成與形成后的質(zhì)量直接影響焊接可靠性。

1.2 可焊性失效模式

印制電路板組裝（PCBA）中可焊性失效模式主要有：潤(rùn)濕不良、立碑、裂紋、氣孔、假焊、虛焊、不潤(rùn)濕和夾渣缺陷等。

2 PCBA焊接失效主要涉及因素

2.1 助焊劑、焊料等原料的質(zhì)量

焊接原料主要包括助焊劑、焊料。助焊劑應(yīng)有足夠的能力清除被焊金屬和焊料表面的氧化膜。焊料是用來連接兩種或多種金屬表面，同時(shí)在被連接金屬的表面之間起冶金學(xué)橋梁作用的金屬材料。按照焊接對(duì)象和焊接條件要選擇合適的焊料。

2.2 焊接工藝條件的影響

時(shí)間、溫度要適當(dāng)，加熱均勻，通常情況下溫度越高潤(rùn)濕性能越好，時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響金屬間化合物結(jié)構(gòu)的形成。

2.3 PCB本身的質(zhì)量

印制電路板（PCB）表面一定要保持清潔。如果PCB表面存在氧化層、灰塵和油污，會(huì)影響焊件周圍合金層的形成。

2.4 產(chǎn)品的表面鍍層

PCB 的表面涂飾層有熱風(fēng)整平焊料（HASL）、有機(jī)防氧化劑（OSP）、化學(xué)錫、化學(xué)銀、電鍍鎳金、化學(xué)鍍鎳金等。不同鍍層類型的可焊性是不同的，其中HASL是較好的。

3 失效分析方法

3.1 收集信息

失效分析首先基于失效現(xiàn)象，進(jìn)行背景資料的收集和分析樣品的選擇，通過信息資料收集、功能測(cè)試、電性能測(cè)試以及簡(jiǎn)單的外觀檢查，確定失效部位與失效模式，判斷失效定位及故障定位。

3.2 分析技術(shù)

對(duì)于較為復(fù)雜的失效現(xiàn)象，不易觀察的缺陷位置需要借助其他輔助工具來確定。包括使用顯微鏡進(jìn)行外觀檢查、X射線透視檢查、金相切片分析、熱分析、顯微紅外分析、掃描電鏡分析以及X射線能譜分析等。其中金相切片分析是屬于破壞性的分析技術(shù)；掃描電鏡分析和X射線能譜分析有時(shí)也需要部分破壞樣品。在分析的過程中還會(huì)由于失效定位和失效原因的驗(yàn)證的需要，可能使用如熱應(yīng)力、電性能測(cè)試、可焊性測(cè)試與尺寸測(cè)量等方面的試驗(yàn)技術(shù)。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過試驗(yàn)驗(yàn)證方法，對(duì)比分析等，可以找到準(zhǔn)確的失效原因。如果條件允許還可進(jìn)行模擬試驗(yàn)，再現(xiàn)失效過程，驗(yàn)證失效分析結(jié)果的可靠性。這就為下一步的改進(jìn)提供了依據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)分析過程所獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)、比對(duì)分析、驗(yàn)證信息等證據(jù)和結(jié)論，編制失效分析報(bào)告。分析的過程中，要求數(shù)據(jù)真實(shí)、條理清晰，注意使用分析方法應(yīng)該從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從外到里、從不破壞樣品再到使用破壞的原則。只有這樣，才可以避免判斷錯(cuò)誤得出錯(cuò)誤的失效機(jī)理。

4 可焊性失效分析案例

4.1 背景

熱風(fēng)整平無鉛焊錫（HASL）PCB在經(jīng)過SMT（表面封裝技術(shù)）貼片焊接后，在焊盤（PAD）位置出現(xiàn)潤(rùn)濕不良，不良率為56.25%，如圖1所示。

圖1 焊盤位置出現(xiàn)拒焊不良圖

4.2 焊接性不良缺陷板失效分析步驟

根據(jù)收集到的PCBA（印制電路板組裝件）失效的狀況，制定分析項(xiàng)目（如表1所示）。

表1 焊接性不良分析項(xiàng)目表

4.3 分析及驗(yàn)證

外觀分析和一些工序驗(yàn)證敘述如下。

4.3.1 外觀分析

從失效樣品外觀檢查分析，樣品焊接性不良主要集中在C面（BGA面），S面無不良點(diǎn)，同時(shí)經(jīng)了解客戶端SMT（表面貼裝）是先做S面（一次回流），不良位置C面（BGA面）SMT是第二次回流，可焊性不良出現(xiàn)在第二次回流焊連接盤不潤(rùn)濕，有出現(xiàn)元器件偏離焊盤現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 焊接不良外觀圖

4.3.2 PCBA不良位置錫厚測(cè)量確認(rèn)

對(duì)不良PCBA樣品，潤(rùn)濕不良位置測(cè)量錫厚數(shù)據(jù)和測(cè)量位置見表2和圖3所示，符合要求，錫厚數(shù)據(jù)偏下限值。

表2 錫厚測(cè)量數(shù)據(jù)表

圖3 錫厚測(cè)量位置圖

4.3.3 取樣不良位置做邊緣浸錫法可焊性測(cè)試（測(cè)試前后對(duì)比）

對(duì)不良PCBA不潤(rùn)濕位置重新取樣做中性助焊劑（A型助焊劑）邊緣浸錫測(cè)試，經(jīng)觀察上錫性良好。

4.3.4 PCBA不良位置元素分析確認(rèn)

針對(duì)潤(rùn)濕不良焊盤（如圖4所示），取3個(gè)位置做EDS（能散×線光譜儀進(jìn)行）元素分析，銅含量正常（如圖5所示），未見異常元素。

圖4 不良焊盤元素分析位置圖

圖5 不良焊盤元素分析數(shù)據(jù)表圖

4.3.5 PCB的HASL返工確認(rèn)

因HASL過程中會(huì)出現(xiàn)錫溶銅問題，一般正常HASL一次會(huì)出現(xiàn)1～3 μm溶銅量，通過切片確認(rèn)阻焊下銅厚及HASL下銅厚差異，焊接過程溶銅量約2 μm，通過切片分析阻焊下銅厚51.45 μm，HASL位置下銅厚47.80 μm，兩者銅厚差異3.65 μm，故可判斷過程應(yīng)未出現(xiàn)返工問題。

4.3.6 切片確認(rèn)熱風(fēng)焊料整平后IMC層厚度及連續(xù)性

通過SEM觀察不良焊盤位置IMC層呈連續(xù)狀，但由于錫厚處于下限邊緣（1.5～2.1 μm）導(dǎo)致錫層全部IMC化。又通過切片分析（如圖6所示），錫厚較薄位置全部已形成IMC層，潤(rùn)濕性極差；PCB錫厚度在8 μm位置IMC層上方還有良好的錫面，潤(rùn)濕性好，主要原因?yàn)殄a層薄致熱風(fēng)焊料整平層合金化不潤(rùn)濕縮錫。

圖6 焊盤位置IMC層圖

4.3.7 庫存裸板PCB驗(yàn)證分析

取庫存PCB板做離子污染測(cè)試結(jié)果合格（如表3所示），進(jìn)一步證明裸板PCB未受到外物污染導(dǎo)致可焊性不良。

表3 離子污染測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3.8 PCBA不良位置對(duì)裸板PCB對(duì)應(yīng)位置錫厚測(cè)量

對(duì)照PCBA上限不良位置，通過5點(diǎn)法測(cè)量裸板錫厚（如圖7所示），測(cè)試結(jié)果基本符合規(guī)范要求，見表4所示，規(guī)格要求1～40 μm，僅有個(gè)別錫厚偏下限。

表4 裸板錫厚數(shù)據(jù)表（單位：μm）

圖7 錫厚測(cè)量點(diǎn)圖

4.3.9 中性及酸性邊緣浸錫法可焊性測(cè)試

取庫存PCB 2pcs過無鉛回流焊2次，模擬客戶SMT貼片正反面各一次，再取樣做可焊性測(cè)試得出結(jié)果為：（1）中性助焊劑（A型號(hào)）：經(jīng)顯微鏡下觀察BGA位置連接盤有較多點(diǎn)不上錫，如圖8所示；（2）酸性助焊劑：經(jīng)顯微鏡下觀察也有個(gè)別點(diǎn)上錫不良。

圖8 回流焊潤(rùn)濕不良圖

4.3.10 元素分析確認(rèn)

針對(duì)PCB裸板，參照PCBA不良位置進(jìn)行EDS元素分析，未見異常元素（如圖9所示），銅含量正常。

圖9 裸板元素分析數(shù)據(jù)圖

4.4 分析結(jié)果匯總說明

分析結(jié)果匯總說明如表5所示。

表5 分析結(jié)果匯總表

5 分析結(jié)論

（1）綜合以上分析對(duì)比數(shù)據(jù)，PCBA：拒焊焊盤位置IMC層呈連續(xù)狀，但由于錫厚處于下限邊緣（1.5～2.1 μm）導(dǎo)致錫層全部IMC化。PCB：光板錫厚在1～2 μm位置全部已形成IMC層，潤(rùn)濕性極差；光板錫厚度在2 μm以上位置IMC層上方還有良好的錫面，潤(rùn)濕性較好，造成PCBA上錫后拒焊主要原因?yàn)殄a厚薄導(dǎo)致HASL層拒焊不潤(rùn)濕。

（2）無鉛HASL板以SAC305為主要用材，PCB在客戶端上件第一面回流焊時(shí)與其錫膏的潤(rùn)濕性還算良好，但第二面回流焊時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重拒焊不潤(rùn)濕現(xiàn)象。

（3）HASL板在過程中就生長(zhǎng)了Cu6Sn5的IMC層，PCB在客戶端上第二面回流焊時(shí)已經(jīng)是第三次生長(zhǎng)IMC層，由于客戶端上件第二面回流焊時(shí)錫膏所面對(duì)的HASL層中已無純錫成分（由于錫厚處于下限邊緣），全靠IMC的五成焊錫性，故導(dǎo)致不潤(rùn)濕現(xiàn)象。

（4）嚴(yán)格控制HASL厚度在中值，且降低錫爐溫度（因溫度越高IMC生長(zhǎng)越快且越松散）。