引言

 

在表面貼裝工藝的回流焊接工序中，元器件會產生因翹立而脫焊的缺陷，被稱為立碑（Tombstone）現象，也叫吊橋效應。器件立碑與錫膏、零件、基版設計、回流焊工藝等都有直接關系，嚴重影響SMT生產良率。

 

本文以器件立碑不良為例，通過外觀觀察、表面分析、切片分析等方法，分析其立碑原因及機理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

PCBA 板SMT之后發現器件立碑不良。現進行測試分析，查找器件立碑不良原因。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

利用體視顯微鏡，對不良PCBA器件立碑位置及同批次良品進行外觀檢查，結果如下：

不良PCBA樣品均發現存在電容立碑異常，立碑端PCB焊盤無明顯焊錫殘留，表現為焊盤潤濕不良、露金異常。同批次良品PCBA外觀檢查發現PCB焊盤普遍存在局部潤濕不良、露金異常。

 

圖1.NG外觀檢查照片

 

圖2. 同批次良品PCBA外觀檢查典型照片

 

2. 表面分析

為了確認立碑器件不良焊盤表面是否存在異常元素及觀察潤濕不良位置形貌及成分，對NG立碑不良焊盤清洗后進行形貌觀察及成分分析，結果如下：

立碑不良焊盤表面存在少量助焊劑殘留，上錫不良位置未發現異常元素存在，且存在較多Au元素，即焊盤Au層未熔入焊錫。

立碑不良器件端電極表面未見明顯污染，未發現異常元素存在。

由于EDS作用深度范圍有限，不適合分析Au層成分狀況，故后續通過XPS對焊盤金層進一步分析。

 

圖3. NG立碑不良SEM圖片及EDS能譜圖

 

3. 剖面分析

對不良PCBA立碑不良NG、同批次良品PCBA進行剖面分析，結果如下：

NG立碑不良電容截面分析顯示：①電容焊接不良側端電極焊接面未見明顯異常；②焊盤上錫不良位置表面平整，未發現明顯焊錫殘留，可見少量助焊劑殘留。鍍層放大后，觀察到金層未溶解；③電容焊接上錫側PCB焊盤焊接IMC形貌未見異常。

 

圖4. NG立碑異常電容截面形貌觀察形貌及EDS能譜圖

 

NG正常焊接電容截面分析顯示：電容端電極和焊盤側焊接IMC未見明顯異常，電容側IMC厚度為1.06µm ~1.95µm，焊盤側IMC厚度正常。

 

圖5. NG正常焊接電容截面形貌觀察形貌

 

同批次正常樣品截面分析顯示：電容焊接狀況良好，IMC形貌未見明顯異常。電容側IMC厚度為1.26µm ~2.05µm，焊盤側IMC厚度為2.18µm ~2.35µm，說明熱輸入正常。

 

圖6. 同批次良品PCBA電容截面形貌觀察形貌及EDS能譜圖

 

4. PCB光板分析

為了確認PCB光板鍍層是否存在異常，對同批次PCB光板焊盤進行表面分析及剖面分析，結果如下：

表面分析：同批次PCB光板焊盤表面形貌未見明顯污染，表面形貌未見明顯異常；EDS分析顯示，焊盤表面未發現異常元素存在。

剖面分析：同批次PCB光板焊盤截面顯示鎳層未見明顯異常，金層厚度23.2nm~29.8nm。

 

圖7. 同批次PCB光板焊盤表面形貌及EDS譜圖

 

圖8. 同批PCB光板焊盤剖面形貌及EDS譜圖

 

5. XPS分析

為了確認同批次PCB光板焊盤極表面成分狀況，現通過XPS對PCB光板焊盤進行測試，結果如下：

如圖所示，同批次PCB光板焊盤金層厚度30~50納米左右（基于標準樣品SiO2校準），表面有較高的C/O殘留；在0nm~15.5nm深度，金層中仍含有＞65.50At%的C元素，遠高于29.01At%的金含量；在C、O、Ni異常元素的影響下，15.5nm深度范圍內，金純度最高29.01At%，故如此低純度的金層，必然會影響焊盤上錫性。

 

圖9. 同批PCB光板焊盤XPS測量精細譜光譜圖

 

圖10. XPS濺射深度分析

 

6. PCB上錫性驗證

為了驗證PCB光板焊盤上錫狀況，對同批次PCB光板進行浸錫試驗，結果如下：

同批次PCB光板浸錫后，部分焊盤出現上錫不良現象，表現為金層不溶現象。

 

圖11. PCB光板焊盤浸錫后照片

 

三、總結分析

 

外觀檢查顯示：不良PCBA樣品發現存在電容立碑異常，立碑端PCB焊盤無明顯焊錫殘留，表現為焊盤潤濕不良、露金異常。同批次良品PCBA發現PCB焊盤普遍存在局部潤濕不良、露金異常。

 

表面分析顯示：立碑不良焊盤表面存在少量助焊劑殘留，上錫不良位置未發現異常元素，有較多Au元素存在，即焊盤Au層未熔入焊錫。

 

剖面分析顯示：

1）不良PCBA立碑不良電容截面分析顯示：①電容焊接不良側端電極焊接面未見明顯異常；②焊盤上錫不良位置表面平整，未發現明顯焊錫殘留，可見少量助焊劑殘留。鍍層放大后，觀察到金層未溶解；③電容焊接上錫側PCB焊盤焊接IMC形貌未見異常。

2）不良樣品上錫正常電容截面分析顯示，電容端電極和焊盤側焊接IMC形貌厚度均未見明顯異常 。

3）同批次良品截面分析顯示：電容焊接狀況良好，IMC形貌未見明顯異常，電容側IMC厚度為1.26µm ~2.05µm，焊盤側IMC厚度為2.18µm ~2.35µm，說明熱輸入正常。

 

同批次PCB光板分析：①表面分析顯示焊盤表面形貌未見明顯污染，表面形貌未見明顯異常；EDS分析顯示，焊盤表面未發現異常元素存在。②剖面分析顯示：焊盤截面顯示鎳層未見明顯異常，金層厚度23.2nm~29.8nm。

 

XPS分析顯示：同批次PCB光板焊盤金層厚度30~50納米左右（基于標準樣品SiO2校準），表面有較高的C/O殘留（20~30nm左右）；在0nm~15.5nm深度，金層中仍含有＞65.50At%的C元素，遠高于29.01At%的金含量；在C、O、Ni異常元素的影響下，15.5nm深度范圍內，金純度最高29.01At%，故如此低純度的金層，必然會影響焊盤上錫性。

 

PCB光板可焊性驗證結果顯示，部分焊盤存在上錫不良現象，表現為金層不溶現象。

 

四、結論與建議

 

綜上所述，器件立碑不良的原因為：PCB焊盤鍍金層存在C、O元素的污染，導致金表層純度顯著降低，最終導致焊盤表面潤濕能力降低。

 

改善建議

①優化PCB物料來料質量管控，增加可焊性測試；

②嚴格管控PCB鍍金工藝制程，避免鍍金層污染現象的產生。

 

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