PCBA焊點失效分析與改進策略 | “葡萄球”效應(yīng)揭秘

葡萄球效應(yīng)，是指在SMT焊接過程中，部分錫膏沒有完全熔化并融合在一起，而是形成了一顆顆獨立的錫珠，這些錫珠可能堆疊在一起，外觀上類似于葡萄串。焊點表面顆粒狀、灰暗、不光滑、粗糙是其主要特征。

我們在某PCBA焊點上發(fā)現(xiàn)“葡萄球”現(xiàn)象，焊盤表面處理方式為噴錫工藝，對NG PCBA 3pcs，A、B、C三款錫膏和3pcs OK PCBA進行測試分析，查找失效原因。

如圖1所示，NG PCBA部分引腳焊點明顯呈現(xiàn)“葡萄球”現(xiàn)象，且焊點周圍存在零散的錫珠。

圖1. NG PCBA外觀典型圖片

測試分析

1 表面分析

對NG PCBA“葡萄球”焊點（酒精清洗后）表面進行顯微分析，結(jié)果如下：

如圖2和表1所示， 失效區(qū)域焊點表面不平整，呈明顯凸出形貌，“葡萄球”主要成分為C、O、Sn，未發(fā)現(xiàn)明顯異常元素存在。

圖2. NG焊點表面形貌

表1. NG焊點表面EDS結(jié)果（wt.%）

2 切片分析

如圖3和表2所示，NG焊點表面粗糙，呈凹凸不平狀，“葡萄球”呈半島狀，為錫膏的不完全熔融潤濕所致。從成分來看，“葡萄球”區(qū)域與焊料內(nèi)部成分無明顯差異。

一般而言，“葡萄球”的產(chǎn)生與錫膏表面氧化物未能及時去除有關(guān)。錫膏表面氧化物的去除主要與以下因素相關(guān)：①錫膏助焊劑活性不足；②錫粉自身氧化嚴重。

圖3. NG焊點切片微觀結(jié)構(gòu)

表2. NG焊點切片EDS結(jié)果（wt.%）

3 氧化膜厚度分析

如圖4和表3所示，3pcs NG錫粉氧化膜厚度均不超過10nm，屬于正常范圍，說明“葡萄球”現(xiàn)象的產(chǎn)生與錫粉本身的氧化無關(guān)。

圖4. A款錫粉AES測試位置及圖譜典型圖片

表3. A款錫粉深度分布成分測試結(jié)果(At%)

4 PY-GCMS分析

通過PY-GCMS測試發(fā)現(xiàn)，在焊接條件下NG樣品與OK樣品裂解揮發(fā)產(chǎn)物主要成分及其含量存在差異，其中NG樣品裂解揮發(fā)產(chǎn)物中2-甲基-1-（4-甲硫基苯基）-2嗎啉基-1-丙酮（光引發(fā)劑907）明顯比OK樣品的含量高。該光引發(fā)劑活性較高，是不穩(wěn)定的引發(fā)劑。助焊劑中主要成分為松香類物質(zhì)，而松香中含有乙烯基雙鍵，907光引發(fā)劑生成的自由基能量很高，能輕松打開松香中的乙烯基雙鍵。松香的主要作用就是去除氧化膜，并且防止焊料氧化；揮發(fā)物中大量的光引發(fā)劑的存在將會嚴重降低助焊劑的去除氧化膜和防止氧化的能力，從而導致焊料氧化，致使焊料產(chǎn)生“葡萄球”現(xiàn)象。

圖5. NG樣品PY-GCMS測試結(jié)果譜圖

表4. NG樣品 PY-GCMS測試結(jié)果

相對含量是采用峰面積歸一化法計算得出，不代表該物質(zhì)在樣品的實際含量，僅供參考。

圖6. OK樣品PY-GCMS測試結(jié)果譜圖

表5. OK樣品 PY-GCMS測試結(jié)果

相對含量是采用峰面積歸一化法計算得出，不代表該物質(zhì)在樣品的實際含量，僅供參考。

由此可見，導致焊點出現(xiàn)“葡萄球”失效的主要原因為焊接條件下助焊劑活性下降，而導致焊接過程中助焊劑活性下降的原因為焊接條件下PCB板裂解揮發(fā)產(chǎn)物會與助焊劑發(fā)生“失活”化學反應(yīng)。不同廠家的助焊劑成分有差異，對2-甲基-1-（4-甲硫基苯基）-2嗎啉基-1-丙酮的抵抗程度不同，所以表現(xiàn)出來的性能會有所差異。不同廠家的PCB固化程度不同，過爐過程中揮發(fā)出的產(chǎn)物不同，成分不同，所以對助焊劑的影響程度不同，所以表現(xiàn)為“葡萄球”現(xiàn)象與PCB相關(guān)。

結(jié)論

總結(jié)：

導致焊點出現(xiàn)“葡萄球”失效的主要原因為焊接條件下助焊劑活性下降，而導致焊接過程中助焊劑活性下降的原因為PCB板裂解揮發(fā)產(chǎn)物與助焊劑發(fā)生“失活”化學反應(yīng)。

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