關(guān)于焊接表面形成空洞方面(1)

1、. 關(guān)于焊接表面形成空洞方面 林金堵PCB在焊接表面產(chǎn)生空洞問題，其因素是很多的，很難用簡(jiǎn)單的、或主觀的思維方法而加以得出結(jié)論或原因。必須通過“調(diào)查研究”、“統(tǒng)計(jì)”、“分析手段與方法”等進(jìn)行“具體問題”進(jìn)行“具有分析”，才能從現(xiàn)象到本質(zhì)來看清問題。本文僅從經(jīng)常容易產(chǎn)生空洞的原因進(jìn)行通俗性講解?？偟膩碚f，PCB焊接空洞產(chǎn)生的根本原因有三大方面：一是“熱”引起的；二是材料與產(chǎn)品“缺陷”引起的；三是管理或應(yīng)用（環(huán)境）不當(dāng)引起的。正是由于材料與產(chǎn)品“缺陷”、管理與應(yīng)用不當(dāng)?shù)仍?，通過外界（客觀）條件而顯露出來。我們可以通過材料（原輔材料）、PCB制造過程和PCB應(yīng)用（主要是指焊接）過程等幾個(gè)方面進(jìn)行綜

2、合評(píng)述。1 在PCB介質(zhì)層內(nèi)部和界（表）面上形成“空洞”CCL材料（又稱PCB基材）形成的。CCL基材樹脂分解溫度低形成的空洞。常規(guī)的FR-4基材分解溫度（Td）低，約為320左右。因?yàn)樗捎秒p氰胺作固化劑的。同時(shí)，如果混合不均勻，雙氰胺還容易結(jié)晶出來。在強(qiáng)“熱（特別是在無鉛焊接）”條件下，由于溫度高、時(shí)間長(zhǎng)強(qiáng)化了“熱”分解、分離等而引起分層、起泡、白點(diǎn)、微空洞等，但發(fā)生在基材內(nèi)部或界（表）面處。 應(yīng)采用高Td的FR-4材料（酚醛樹脂為固化劑）?？商岣逿d溫度（350）和耐熱性能。凹縮形成的空洞。存在于孔壁內(nèi)，特別是孔內(nèi)鍍銅的內(nèi)側(cè)與介質(zhì)層之間，具有“半圓形”狀態(tài)。尤其是背板、高多層板中常見到。

3、這是由于CCL基材層壓參數(shù)或固化時(shí)間不足引起的。阻焊劑引起的。阻焊油墨含有“溶劑”便于網(wǎng)印，網(wǎng)印后必須完全烘干除去。如果沒有采用“特定波長(zhǎng)”的紅外干燥，會(huì)形成表面干燥而內(nèi)部（特別是底部）“殘留”溶劑，遇熱時(shí)形成“微泡”等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)起皺、脫落等。表面污染引起的空洞。表面清洗不干凈，如水跡、手指紋、粉塵等在“熱”作用下，都會(huì)引起“微空洞”或“微斑點(diǎn)”等。鉆孔形成的空洞。由于鉆孔的粗糙度過大或撕裂，在濕法處理過程中，溶液入侵或堆聚，在熱作用下，引起空洞或斷裂。發(fā)生在孔壁上。隨著孔徑的縮小，鉆孔的粗糙度將由50µm30µm20µm。圖1 無鉛焊接的溫度更高，降低焊環(huán)寬度

4、圖2 由雙氰胺固化的在制板常規(guī)會(huì)引起更大的翹曲（起）。 通孔處的樹脂-玻璃纖維界面也會(huì)發(fā)生分層。2 在焊盤與焊料界面上形成的空洞 在PCB焊盤與焊接焊料界面上形成的空洞是最復(fù)雜的，既是形成空洞最多的，又是評(píng)論與爭(zhēng)論最多的。因?yàn)镻CB焊盤上既有各種各樣的某一表面涂（鍍）覆層，又有網(wǎng)印焊料，同時(shí)，在焊接過程中熔化的焊料還會(huì)與涂（鍍）覆層、或底銅作用形成IMC化合物。這些情況都能形成微空洞。 在OSP的焊盤界面上的微空洞（如圖3所示）。其特點(diǎn)是在銅焊盤表面上形成。由于采用“老式（錫-鉛焊料焊接用）”的OSP。其分解溫度低，在無鉛焊料焊接下，由于焊接溫度高、高溫時(shí)間停留長(zhǎng)和表面張力大。因此，在焊盤表面

5、粗糙處的殘留微量OSP分解形成微空洞，或在選擇性鍍鎳/金（即混合表面涂覆）的盤邊形成的微縫或微空洞。 應(yīng)該采用高溫型的OSP，即其分解溫度350的OSP（如烷基苯基咪唑類）。圖3 無鉛焊料與焊盤界面處的微空洞在化學(xué)鍍鎳/浸金上形成微空洞。其特點(diǎn)是在鎳層表面上形成微空洞。由于化學(xué)鍍鎳中鍍液的穩(wěn)定性問題，導(dǎo)致鍍鎳層的結(jié)構(gòu)（系指磷含量和結(jié)晶結(jié)構(gòu)與粗糙度等）不穩(wěn)定性（特別是開始應(yīng)用和最后的鍍鎳階段），從而容易引起脆裂（主要是應(yīng)力大）、針孔等而發(fā)黑現(xiàn)象等，繼而影響保存、焊接（形成微空洞），甚至不可焊性。 解決辦法：調(diào)整化學(xué)鍍鎳溶液，或者浸涂一次OSP（即在化學(xué)鎳/金上面再浸OSP），便可解決問題。焊盤表

6、面清潔度的影響。其特點(diǎn)是在焊接層的界（表）面上。 由于焊盤表面清潔度差，有異物、雜質(zhì)，特別是有機(jī)物（或絡(luò)合物）的污染，容易在焊料與焊盤界（表）面上形成黑斑與微空洞。 在焊盤表面要很清潔（根據(jù)情況，有時(shí)要用酸、堿性清洗，最后還要用DI水清潔），甚至包括網(wǎng)印焊膏的前處理。焊盤底銅表面粗糙度的控制。其特點(diǎn)是在底銅表面上。 由于焊盤銅表面粗糙度太大（如3µm或更大），凹陷處既容易吸附雜質(zhì)等，又難于清潔，這些埋藏雜質(zhì)在受熱時(shí)，就容易形成微空洞或黑斑等。 現(xiàn)在焊盤銅表面的粗糙度控制在1µm，采用新的微蝕刻溶液（深圳板明公司已經(jīng)開發(fā)出來并推廣應(yīng)用）。3 在焊接焊料中形成的空洞 焊料起著“

7、承上啟下”的作用，上連接著元件引腳，下粘著焊盤，質(zhì)量是極為重要的。在焊盤（或涂、鍍覆層）與元件引腳之間形成空洞。其特點(diǎn)是焊料層中有空洞。 網(wǎng)印的或點(diǎn)滴的焊膏，沒有烘干就進(jìn)行高溫焊接，造成錫珠散射而缺“膏”，形成空洞，甚至虛焊。應(yīng)該先烘干，最好是采用真空干燥。 產(chǎn)生的原因有：（一）網(wǎng)印的或點(diǎn)滴焊膏，沒有烘干就進(jìn)行高溫焊接，造成錫珠散射而缺“膏”，形成空洞，甚至虛焊；（二）焊接前受濕大，焊接時(shí)“水氣”造成空洞，特別是在沒有濕度控制的南方地區(qū)房間內(nèi)放置和操作。網(wǎng)印或點(diǎn)滴的焊膏太薄，在焊料中局部形成不可焊的IMC層過多（如Cu3Sn2多于Cu6Sn5）而形成空洞或局部焊接或“半焊接”。焊接次數(shù)過多，造

8、成銅熔入焊料中過多，形成Cu3Sn2過去厚，在焊料中形成不可焊的IMC層過多（如Cu3Sn2多于Cu6Sn5）而形成空洞或局部焊接。金鍍層過厚（如0.15µm），焊接時(shí)由于金熔入焊料中，并形成IMC化合物（如Au3Sn等）會(huì)產(chǎn)生脆裂，從而形成空洞或獵縫等。 對(duì)于焊接用的化學(xué)鍍鎳/浸金的金層厚度是以能夠保護(hù)底部鎳層不氧化就可以了。并不是越厚越好，一般的金厚度為0.05µm就足夠了。焊接溫度的控制方面。由于有鉛焊接溫度低（焊料熔點(diǎn)為183），但一般仍然高出熔點(diǎn)30以上，而且表面張力也小，焊接時(shí)溫度差異±5都能很好焊接。但在無鉛焊接時(shí)，焊料熔點(diǎn)高（217），表面張力大，

9、焊接溫度一般比熔點(diǎn)高不足30，在PCB板各個(gè)部位存在溫差，形成局部不熔化，或熔化并氧化等形成空洞和“球窩”。大量試驗(yàn)和檢測(cè)表明，無鉛焊點(diǎn)比錫-鉛焊料更容易形成空洞，而SAC合金焊料形成的空洞%比要比其它無鉛合金大。4 在引腳（或BGA焊球）與焊料界面上形成的空洞 在引腳（或BGA焊球）與焊料界面上形成的空洞，大多是引腳表面氧化、污染和涂（鍍）層等引起的。 引腳表面涂（鍍）層引起的空洞。如引腳涂（鍍）的是低熔點(diǎn)錫-鉛（或鉍）層，而焊料是無鉛SAC焊料，由于熔點(diǎn)的差別（收縮不同），則必然形成空洞、裂縫或“縮孔”，如圖4所示。 圖4， 氧化和污染。引腳局部氧化或污染會(huì)引起焊接不良而形成（焊料收縮）空

10、洞等。低質(zhì)量原輔材料將會(huì)導(dǎo)致各種各樣的缺陷。如易于吸潮、變形、分裂、空洞等。 總之，形成空洞等缺陷的原因是很多的，有些因素是相互交叉的、甚至是很難判斷的，如焊接中形成的空洞是在焊盤與焊料的界面、焊料中?還是在焊料與元件引腳界面處?用肉眼有時(shí)是觀察不了的，必須借助檢測(cè)儀器，如剖切顯微觀察、SEM，甚至采用X-射線分析技術(shù)（如IMC等）。雖然形成缺陷的因素很多，但是要解決問題必須找出主要因素，才能消除缺陷。附：化學(xué)鍍鎳浸金（ENIG）層常遇的可焊問題（參見2006，4，P，40） 前處理對(duì)可焊性的影響微蝕過程的影響。微蝕刻的目的是除去有機(jī)物、氧化層和控制微蝕程度。因此微蝕刻效果對(duì)化學(xué)鍍鎳層有直接的

11、影響，從而間接影響浸金質(zhì)量和最后的可焊性。微蝕刻溶液的微蝕速度會(huì)隨著微蝕刻溶液中的金屬離子和雜質(zhì)的含量的增加而下降。要嚴(yán)格控制微蝕刻液的濃度、溫度和停留時(shí)間，可采用電化學(xué)電位來控制溶液的壽命。避免微蝕后表面氧化，影響鈀的活化效果?；睿ù撸┗挠绊?。在銅、鉬、鎢等上化學(xué)鍍鎳采用鈀（或釕）為活（催）化劑。而在Al上化學(xué)鍍鎳采用Zn進(jìn)行活（催）化。活（催）化不足會(huì)產(chǎn)生漏鍍現(xiàn)象，引起微孔而帶來氧化、黑點(diǎn)。因此，形成均勻活（催）化層是十分重要的?；瘜W(xué)鍍鎳過程對(duì)可焊性的影響 PCB的焊接和可靠性是通過鎳表面來實(shí)現(xiàn)的，因此要求鍍鎳應(yīng)具有結(jié)晶細(xì)致（有時(shí)是非晶結(jié)構(gòu)）、表面平整、厚度均勻?yàn)樘攸c(diǎn)。 鎳磷層中磷含量的

12、影響。磷含量是由PH值、還原劑、穩(wěn)定劑和溶液壽命（MTO）來決定的。磷含量小于7%時(shí)，形成微晶結(jié)構(gòu)，抗腐蝕能力差；當(dāng)磷含量大于12%，抗腐蝕能力增加，而可焊性下降；一般磷含量控制在79%之間。為了控制磷含量，溶液組成要隨著不同MTO加以調(diào)整。PH值和溫度的影響。一般控制PH=5.05.3之間。過高的PH會(huì)降低鍍鎳層中磷含量，使鍍層抗腐蝕能力下降，焊接性能變差；PH值太低，磷含量過高。PH值和溫度還會(huì)影響鎳磷層的晶粒大小和粗糙度，8而影響焊接可靠性。鎳磷層結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響。沉積的結(jié)晶顆粒越小，鍍層致密性越好，可提高抗腐蝕性能。在化學(xué)鍍金中，鎳磷層的結(jié)晶顆粒大小和形狀是影響化學(xué)鍍鎳磷層耐腐蝕程度的重

13、要因素?；瘜W(xué)鍍鎳磷層的不均勻性、任何缺陷和不規(guī)則表面都可能引起局部的過腐蝕現(xiàn)象，增加化學(xué)鍍鎳磷層黑點(diǎn)或黑盤的可能性?；瘜W(xué)鍍鎳沉積速度的影響。通過調(diào)節(jié)PH值和溫度，降低沉積速度，提高鎳磷層的致蜜性，避免晶粒邊界之間產(chǎn)生縫隙，以減少浸金時(shí)鎳磷層引起過腐蝕的可能性，化學(xué)鍍鎳的沉積速度為10µm/hµm/h之間?；瘜W(xué)鍍鎳溶液中穩(wěn)定劑的影響?；瘜W(xué)鍍鎳溶液中加入穩(wěn)定劑的作用是維持鍍液的穩(wěn)定，抑制鎳的自發(fā)還原析出。同時(shí)，有利于形成均勻的鍍層，提高晶粒邊界覆蓋率。穩(wěn)定劑少時(shí)，化學(xué)鍍鎳溶液不穩(wěn)定而易分解，析出金屬鎳。含有鉛離子和有機(jī)物的穩(wěn)定劑能夠沉積入化學(xué)鍍鎳層中，容易引起黑斑或黑盤。由于化

14、學(xué)鍍鎳中鍍液的穩(wěn)定性問題，導(dǎo)致鍍鎳層的結(jié)構(gòu)（系指磷含量和結(jié)晶結(jié)構(gòu)與粗糙度等）不穩(wěn)定性（特別是開始應(yīng)用和最后的鍍捏階段），從而容易引起脆裂（主要是應(yīng)力大）、針孔等而發(fā)黑現(xiàn)象等，繼而影響保存和可焊性。 解決辦法：浸涂一次OSP，便可解決問題?；瘜W(xué)鍍鎳液使用周期的影響。在化學(xué)鍍鎳磷層的同時(shí)，還會(huì)在化學(xué)鍍鎳溶液中產(chǎn)生反應(yīng)副產(chǎn)物亞磷酸根，從而引起化學(xué)鍍鎳溶液不斷“老化”，污染溶液。同時(shí)，還引起鍍鎳層中的磷含量不斷增加。加上有機(jī)物不斷積累，沉積速度下降，使鍍層中有機(jī)物含量增加，可焊性變差。一般是在金屬追加量達(dá)到45MTO時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換?；瘜W(xué)鍍鎳溶液的補(bǔ)加量和負(fù)載量的影響。在化學(xué)鍍鎳溶液中的添加量或消耗量超

15、過常規(guī)水平10%時(shí)，會(huì)引起鍍液不穩(wěn)定性，影響最后可焊性。因此，要采用自動(dòng)添加裝置或少量多次添加方法，使鍍液的組成保持在正常的范圍之內(nèi)?；瘜W(xué)鍍鎳液在操作溫度下長(zhǎng)期空轉(zhuǎn)，會(huì)引起添加劑部分分解，由于沒有添加，鍍鎳液組成不平衡，也會(huì)產(chǎn)生一系列問題、如黑斑或黑盤，邊界效應(yīng)等。另外，負(fù)載量太小，消耗少，沒有添加，也使鍍液不穩(wěn)定，鍍層不均勻，同理會(huì)在鍍層上產(chǎn)生各種問題。攪拌對(duì)鍍液的影響。攪拌可減少化學(xué)鍍鎳表面產(chǎn)生的氣泡，提高穩(wěn)定劑擴(kuò)散到產(chǎn)品表面的速率，但攪拌速率應(yīng)與穩(wěn)定劑相匹配。產(chǎn)品從鍍液中取出停留時(shí)間的影響。取出后停留時(shí)，殘留的鍍液仍然繼續(xù)反應(yīng)，而且溫度和PH值為不可控，停留時(shí)間越長(zhǎng)，影響可焊性越大。同時(shí)

16、，鍍鎳表面遇到空氣會(huì)被氧化形成極薄的氧化層，既影響與浸金的結(jié)合力，又影響可講理性能。設(shè)備的影響 化學(xué)鍍鎳浸金是自催化的。因此，在鍍鎳液中會(huì)形成金屬鎳粒子，在“盲區(qū)”（如槽邊界、管道等）會(huì)形成鍍層，要仔細(xì)世紀(jì)減少這些“盲區(qū)”并通過瀘器除去金屬鎳粒（核）子（參見1999，9，P，28）。浸金對(duì)可焊性的影響 浸金是一種置換的反應(yīng)，反應(yīng)持續(xù)到金完全覆蓋鎳層表面為止。金層阻止化學(xué)鎳磷層被氧化。同時(shí)，在焊接時(shí)，金是被熔解而進(jìn)入焊料中，而露出新鮮的鎳表面，以保證鎳磷層表面的可焊性， 并提高焊料的濕潤(rùn)性，當(dāng)在焊料中熔入金含量重量比超過3%時(shí)，會(huì)引起焊點(diǎn)發(fā)脆，影響焊接可靠性。因此，鍍金層厚度要加以控制在0.02

17、µm0.15µm之間，實(shí)際上大多數(shù)的PCB生產(chǎn)廠商都控制在0.01µm0.05µm之間。 值得注意的是：在浸金過程中鍍金溶液對(duì)化學(xué)鍍鎳磷層的腐蝕也是引起可焊性差的一個(gè)重要原因。 浸金濃度和溫度的影響。操作溫度和金離子濃度是控制金沉積速率和鍍層均勻性的主要影響因素。溫度過高，鍍金層不均勻，并會(huì)過腐蝕鎳磷層，造成局部鎳層磷含量扁高，使鎳-銅界面處富磷狀態(tài)，造成結(jié)合力下降，反之，溫度過低，溶液的置換反應(yīng)便會(huì)停止。金鹽含量低，會(huì)降低反應(yīng)速率，形成不均勻鍍層，增加了對(duì)鎳層的腐蝕。理論上講，鎳與金的電位差很大鎳可置換出溶液中的金。當(dāng)鎳層表面置換上金后，由于金層的多孔

18、性，其空隙下的鎳仍然可進(jìn)行置換反應(yīng)，但反應(yīng)速度很慢直至金完全覆蓋為止，實(shí)際表明，反應(yīng)速度慢，使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，反而增加了對(duì)鎳磷層的腐蝕的機(jī)率。浸金沉積速度的影響。浸金速率是由溫度、PH值和金濃度來決定的。浸金的速率高，金層疏松，致密性差，金層難于起到保護(hù)鎳層的作用。浸金速率低，沉積時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)增加鎳磷層的過腐蝕的機(jī)率。一般沉金速度要控制在0.35µm/h0.45µm/h為宜。PH值和厚度的影響。適當(dāng)提高PH值，可有效消除黑斑或黑盤的產(chǎn)生，或最小化。PH值越低，對(duì)鎳磷層腐蝕越快，黑盤產(chǎn)生越容易。而對(duì)金沉積厚度不能太厚也不能太薄，太薄時(shí)，不能完全覆蓋鎳磷表面，太厚

19、時(shí)，不僅成本太高，而且還會(huì)影響焊接點(diǎn)可靠性。理論上要求沉金厚度控制在0.05µm0.15µm之間，實(shí)際上大多數(shù)控制在0.02µm0.05µm之間。浸金后水洗的影響。浸金之后，任何殘留物（有機(jī)的和無機(jī)的）殘留在金表面都會(huì)影響最后的可焊性。所以，鍍金后要嚴(yán)格清潔，最好采用熱的去離子水清潔表面、吹干。甚至要采用弱硫酸溶液清洗、烘干，可達(dá)到更好的效果。焊料對(duì)化學(xué)鍍鎳磷層可焊性的影響 目前，無鉛焊料普遍采用Sn-Ag-Cu體系，可得到良好的可焊性。但是，經(jīng)過高溫和長(zhǎng)時(shí)間熱循環(huán)會(huì)出現(xiàn)焊接不牢問題。這是由于在焊接時(shí)，產(chǎn)生Ni3Sn4化合物，并在鎳磷層上最初形成平整的針狀形態(tài)。這層化合物能夠降低焊料與鎳磷層之間的反應(yīng)，成為一種很好的擴(kuò)散的阻擋層。但是，熔化的錫很容易通過Ni3Sn4的空隙達(dá)到Ni3Sn4與鎳磷層的接觸面，并形成Ni3SnP，引起Ni3Sn4層的破裂，從而造成可焊性差。 當(dāng)比較Sn-3.5Ag-Cu與Sn-3.0Ag-Cu兩種焊料的最后可焊性結(jié)果時(shí),研究發(fā)現(xiàn)，可焊性差的焊點(diǎn)只發(fā)生在Sn-3.5Ag-Cu的焊點(diǎn)處，由于Ni3Sn4化合物發(fā)生破裂，而且Ni3SnP層變厚。所以，Sn-3.0Ag-Cu無鉛焊料明顯優(yōu)于Sn-3.5Ag-Cu無鉛焊料。 同時(shí)，在焊接時(shí)，由于焊料與鎳磷層的鎳形成Ni