無鉛噴錫SMT上錫不良的幾種分析思路

1、無鉛噴錫在SMT上錫不良的幾種分析思路1、無鉛噴錫的歷史演變：熱風(fēng)整平作為一種PCB焊錫面的表面處理方式在PCB行業(yè)已廣泛應(yīng)用了數(shù)十年，然而自WEEE(Waste from Electrical and Electronic Equipment)和ROHS(Restriction of Use of Hazardous Substances)的先后出臺(tái)，所有電子產(chǎn)品無鉛化的轉(zhuǎn)變讓所有人意識(shí)到有鉛制程的氣數(shù)已盡。國(guó)內(nèi)也于2007年6月份開始了無鉛化的進(jìn)程推進(jìn)，無鉛的表面處理方式也隨之發(fā)展。于是出現(xiàn)了多種無鉛表面處理方式：(1)化學(xué)浸鎳金(ENIG：Electroless Nickel and I

2、mmersion Gold)。(2)化學(xué)浸錫(I-Tin：Immersion Tin)。(3)化學(xué)浸銀(IAg：Immersion Sliver)。(4)有機(jī)保護(hù)膜(OSP：Organic Solderability Preservatives)。(5)無鉛焊料熱風(fēng)整平(HASL：Tot Air Solder Levelling)。本文重點(diǎn)介紹此種表面處理方法在SMT生產(chǎn)過程中上錫不良的幾種因素及處理對(duì)策。2、無鉛噴錫的工藝方法：要解決無鉛噴錫在SMT生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)上錫不良，首先得對(duì)無鉛噴錫工藝有個(gè)詳細(xì)的了解。下面介紹的為無鉛噴錫工藝方法。無噴錫分為垂直噴錫和水平噴錫兩種，其主要作用為：A、防治裸

3、銅面氧化；B、保持焊錫性。噴錫的工藝流程為：前清洗處理 預(yù)熱 助焊劑涂覆 垂直噴錫 熱風(fēng)刀刮錫 冷卻 后清洗處理A前清洗處理：主要是微蝕銅面清洗，微蝕深度一般在0.75-1.0微米，同時(shí)將附著的有機(jī)污染物除去，使銅面真正的清潔，和融錫有效接觸，而迅速的生成IMC；微蝕的均勻會(huì)使銅面有良好的焊錫性；水洗后熱風(fēng)快速吹干；B預(yù)熱及助焊劑涂敷預(yù)熱帶一般是上下約1.2米長(zhǎng)或4英尺長(zhǎng)的紅外加熱管，板子傳輸速度取決于板子的大小，厚度和其復(fù)雜性；60mil(1.5mm)板子速度一般在 4.6-9.0m/min之間；板面溫度達(dá)到130-160度之間進(jìn)行助焊劑涂敷，雙面涂敷，可以用鹽酸作為活化的助焊劑；預(yù)熱放在助

4、焊劑涂布以前可以有 效防止預(yù)熱段的金屬部分不至于因?yàn)榈蔚街竸┒P或燒壞；C沾錫焊錫：融錫槽中含錫量約430公斤左右，為純錫或SN100C共熔eutectic組成的焊錫合金,溫度維持在260度左右；為避免焊錫與空氣接觸而滋生氧化浮渣，在焊錫爐的融錫便面故意浮有一層乙二醇的油類，該油類應(yīng)考慮與助焊劑之間的兼容性compatible；板子通過傳輸輪滾動(dòng)傳輸速度約 9.1m/min,在錫爐區(qū)有三排上下滾輪，停留時(shí)間僅約2秒；前后兩組滾輪之間的跨度為6英寸，滾輪長(zhǎng)度為24英寸以上，故可以處理的板面上限為24英 寸；上下風(fēng)刀勁吹，上下風(fēng)刀之間的間距為15-30mil，風(fēng)刀與垂直方向的月呈2-5度傾斜有

5、利于吹去孔內(nèi)的錫及板面的錫堆；D熱風(fēng)壓力設(shè)定的相關(guān)因素：板子厚度，焊盤的間距，焊盤的外形，沾錫的厚度（垂直噴錫中為了防止風(fēng)刀與已變形的板面發(fā)生刮傷，風(fēng)刀與板面之間的距離相當(dāng)寬，故容易造成焊盤錫面的不平）E冷卻與后清洗處理：先用冷風(fēng)在約1.8米的氣床上由下向上吹，而將板面浮起，下表面先冷卻，繼續(xù)在約1.2米轉(zhuǎn)輪承載區(qū)用冷風(fēng)從上至下吹；清潔處理除去助焊劑殘?jiān)瑫r(shí)也不會(huì)帶來太大的熱震蕩thermal shock3、無鉛噴錫PCB的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：A水平噴錫的厚度：2.54um(100mil),5.08 um (200mil),7.62 um (300mil),可以通過微切片測(cè)定錫厚：細(xì)拋光后用微蝕方法找

6、出銅錫 合金之間的IMC厚度，微蝕藥水的簡(jiǎn)單配制：雙氧水與氨水1：3的體積比微蝕10-15秒鐘；IMC的厚度一次噴錫一般在6微英寸(0.32um)，2次在8個(gè)微英寸左右(0.447um)；噴錫厚度可以用x-ray熒光測(cè)厚儀測(cè)定.B噴錫厚度與風(fēng)刀的關(guān)系：焊盤上能夠保留的錫厚受兩種作用力因素影響：a.表面張力surface tension決定最后平衡后的著錫厚度，焊盤的面積大時(shí)，其固化后著錫的厚度也較高b.風(fēng)刀的壓力；風(fēng)刀壓力大，最后著錫的厚度也會(huì)降低，外形較小的焊 盤其表面張力通常比較大，可耐得住熱風(fēng)刀的推刮，故可以留下較厚的焊錫；外形較大的焊盤，表面張力較小，熱風(fēng)刀會(huì)刮去較多的錫，僅在焊盤末端

7、留下較小的錫冠cresb；C通孔壁上的錫厚：孔壁上由內(nèi)層平環(huán)引出或延伸者，會(huì)造成一座散熱座heat sink效應(yīng)，使噴上的融錫比較容易冷卻固化，固錫層較厚.一般無孔內(nèi)平環(huán)的鍍通孔內(nèi)孔內(nèi)所能保持的錫厚與通孔的縱橫比似乎并無明顯的關(guān)聯(lián)；孔拐角處錫厚 約0.75微米30微英寸左右，從孔兩端轉(zhuǎn)拐角到孔中心，錫厚漸增；孔徑的縮減量約為18-30微米，以孔中央縮小得最為顯著，該處沾錫層最厚； D. 噴錫完后的PCB表面俯視圖： E. 噴錫完后的PCB縱切面圖： 4、IMC Intermetallic compound：對(duì)無鉛噴錫有個(gè)基本概念后，在無鉛噴錫的過程中，IMC是噴錫能完成的關(guān)鍵因素，因此本節(jié)來對(duì)

8、IMC進(jìn)行解讀。IMC系Intermetallic compound 之縮寫，將之譯為”介面合金共化物”，可以簡(jiǎn)稱“介金屬”。IMC廣義上說是指某些金屬相互緊密接觸之介面間，會(huì)產(chǎn)生一種原子遷移互動(dòng)的行為，組成一層類似合金的”化合物”，并可寫出分子式。在焊接領(lǐng)域的狹義上是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物。其中尤以銅錫間之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及惡性Cu3Sn(Epsilon Phase)最為常見，對(duì)焊錫性及焊點(diǎn)可靠度(即焊點(diǎn)強(qiáng)度)兩者影響最大。A、定義能夠被稱焊錫（Solder)所焊接的金屬，如銅、鎳、金、銀等，其焊錫與被焊底金屬之間，在高溫中會(huì)快速形成一薄層類似”錫合金”的

9、化合物。此物起源于錫原子及被焊金屬原子之相互結(jié)合、滲入、遷移、及擴(kuò)散等動(dòng)作，而在冷卻固化之后立即出現(xiàn)一層薄薄的”共化物”，且事后還會(huì)逐漸成長(zhǎng)增厚。此類物質(zhì)其老化程度受到錫原子與底金屬原子互相滲入的多少，而又可分出好幾道層次來。這種由焊錫與其被焊金屬介面之間所形成的各種共合物，統(tǒng)稱Intermetallic Compound 簡(jiǎn)稱IMC。B、一般性質(zhì)由于IMC曾是一種可以寫出分子式的”準(zhǔn)化合物”，故其性質(zhì)與原來的金屬已大不相同，對(duì)整體焊點(diǎn)強(qiáng)度也有不同程度的影響，首先將其特性簡(jiǎn)述于下： IMC在PCB高溫焊接時(shí)才會(huì)發(fā)生，有一定的組成及晶體結(jié)構(gòu)，且其生長(zhǎng)速度與溫度成正比，常溫中較慢。 IMC本身具有

10、不良的脆性，將會(huì)損及焊點(diǎn)之機(jī)械強(qiáng)度及壽命，其中尤其對(duì)抗勞強(qiáng)度(Fatigue Strength)危害最烈，且其熔點(diǎn)也較金屬要高。 由于焊錫在介面附近得錫原子會(huì)逐漸移走，而與被焊金屬組成IMC，使得該處的錫量減少。 一旦焊點(diǎn)原有的熔錫層或噴錫層，其與底銅之間已出現(xiàn)”較厚”間距過小的IMC后，對(duì)該焊點(diǎn)以后再續(xù)作焊接時(shí)會(huì)有很大的妨礙；也就是在焊錫性(Solderability)或沾錫性(Wettability)上都將會(huì)出現(xiàn)劣化的情形。 焊點(diǎn)中由于錫銅結(jié)晶或錫銀結(jié)晶的滲入，使得該焊錫本身的硬度也隨之增加，久之會(huì)有脆化的麻煩。 IMC會(huì)隨時(shí)老化而逐漸增厚，通常其已長(zhǎng)成的厚度，公式表示為：與時(shí)間大約形成拋

11、物線的關(guān)系，如右圖所示kt，kk exp(Q/RT)表示t 時(shí)間后IMC 已成長(zhǎng)的厚度。K 表示在某一溫度下IMC的生長(zhǎng)常數(shù)。T 表示絕對(duì)溫度。R 表示氣體常數(shù)，即 8.32 J/mole。Q 表示IMC 生長(zhǎng)的活化能。KIMC 對(duì)時(shí)間的生長(zhǎng)常數(shù)，以 nm / 秒或m / 日(1m / 日3.4nm / 秒5、無鉛噴錫在SMT生產(chǎn)時(shí)上錫不良的幾種分析方法：A、雙面板生產(chǎn)單面時(shí)出現(xiàn)上錫不良或單面板生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)上錫不良，通過調(diào)整回流爐最高溫度，將最高溫度上升，不良率得到降低，上錫不良明顯減少。通過調(diào)整回流爐溫度不良率降低，此時(shí)需要從無鉛噴錫工藝中的噴錫環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。在噴錫的過程中，含銅的PCB通過夾

12、具不停的通過融錫槽，將錫噴在PCB表面使錫與銅焊接。在此過程中，銅與錫不停的發(fā)生置換反應(yīng)，焊錫槽內(nèi)銅的濃度會(huì)增加，如下圖所示，圖中Y軸左邊是銅濃度，X軸是處理的板子數(shù)量，更確切的是銅面積量，以每磅焊料處理的銅面積打單位，由每塊加工板的面積、加丁板的數(shù)量、機(jī)器中含有焊錫重量來推算得出。圖中右邊Y軸銅濃度變化率，這同銅濃度上升相似。這個(gè)上升率能清楚地看出任何二點(diǎn)銅濃度變化，以及由sflb范圍的不同。圖中右側(cè)Y軸表示了這些相關(guān)性。焊錫槽中當(dāng)銅濃度較高時(shí)，銅增長(zhǎng)速率會(huì)F降，如在運(yùn)作板子300塊后銅增長(zhǎng)速率從007逐漸下降到005?；旧系谝淮螣犸L(fēng)焊料整平后露銅面上要減少90微英寸的厚度；第二次熱風(fēng)焊料

13、整平時(shí)變化較小，可以不計(jì)。所以錫爐內(nèi)的液錫中，銅的含量會(huì)隨著生產(chǎn)面積的增加而增加，當(dāng)銅含量增加后在PCB表面的錫層合金的錫就會(huì)發(fā)生較大的變化。當(dāng)銅的含量由0向07增加時(shí)，錫的合金的熔點(diǎn)由232向下行走；當(dāng)錫銅合金以993：07配比時(shí)，其熔點(diǎn)在227為最低熔點(diǎn)，此點(diǎn)為液相線固相線相交，這時(shí)是最佳的狀態(tài)；當(dāng)銅含量大于07以后，溫度隨著銅含量增加的斜率相當(dāng)大(而此時(shí)呈現(xiàn)的坡度比實(shí)際的要小)，即使按照現(xiàn)在的斜率進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)銅含量在11時(shí)，其液相線對(duì)應(yīng)的溫度為2365，達(dá)到12時(shí)，其對(duì)應(yīng)溫度為240左右。如下圖錫銅合金液相線。 B、雙面板生產(chǎn)單面時(shí)出現(xiàn)上錫不良或單面板生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)上錫不良，通過調(diào)整回流爐最

14、高溫度，將最高溫度上升或降低，調(diào)整回流爐其他參數(shù)，不良率均沒有變化。發(fā)生此種問題時(shí)，主要原因?yàn)槿阱a槽中錫受到污染所致，尤其以硫元素污染最為普遍。當(dāng)融錫槽中銅含量超過PCB廠商設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，廠商需對(duì)融錫槽進(jìn)行除銅處理，目前有三種方法：物理除銅；更換部分或全部為新錫；硫磺除銅法。物理除銅是傳統(tǒng)的除銅法，由于我們要除去的其實(shí)就是IMC，而合金的比重在8283，而SnNiCu合金的比重只有74，所以除銅時(shí)正好要把IMC從爐底部撈起。而換錫則相對(duì)簡(jiǎn)單。另外，專業(yè)代加工廠商一般選擇硫磺除銅法，將硫磺浸入到錫槽中，使硫與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成黑色的硫化銅化合物，這種方法有較大弊病，但目前加工廠要對(duì)其成本效率進(jìn)

15、行考核，經(jīng)常使用 ，其主要隱患為硫元素超標(biāo)污染錫槽，導(dǎo)致SMT生產(chǎn)時(shí)上錫不良。C、雙面板生產(chǎn)時(shí)第一面無上錫不良，第二面生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)上錫不良或第一面生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)不良，第二面生產(chǎn)時(shí)不良更嚴(yán)重，通過調(diào)整回流爐，降低最高溫度，回流時(shí)間，恒溫時(shí)間，不良減少。發(fā)生此種問題的主要原因?yàn)閲婂a時(shí)風(fēng)刀壓力過大，噴錫厚度不足。 外觀不良現(xiàn)象，通過40倍顯微鏡檢查，上錫不良位置表現(xiàn)為焊料對(duì)焊盤的反潤(rùn)濕現(xiàn)象，錫聚集在元件底部，觀察PCB表面，發(fā)現(xiàn)部分位置噴錫不平，如下圖所示： 錫聚焦在元件底部 部分位置噴錫不平 將PCB用X-RAY熒光測(cè)試錫層厚度，最薄處錫厚為1.05um 從以上幾種現(xiàn)象及測(cè)試結(jié)果顯示，初步分析為錫層太薄，無鉛噴錫表面鍍層在高溫下的合金退化，導(dǎo)致可焊性降低，使過爐后錫聚焦在可焊性好的元件底部。為驗(yàn)證此思路是否正確，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行失效分析，對(duì)PCB進(jìn)行能譜分析，對(duì)失效部位進(jìn)行金相分析。能譜分析法，使用能譜儀對(duì)PCB表面進(jìn)行成份分析： 能譜分析結(jié)果顯示PCB表面銅含量達(dá)35.04%，原子比33% 金相分析方法，對(duì)上錫不良焊盤進(jìn)行金相切片獲取不良位置的合鍍層信息，然后用電子顯微鏡進(jìn)行觀察及用能譜分析儀對(duì)焊盤進(jìn)行成份分析。金相切片結(jié)果如下圖所示： 圖片顯