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前言
       隨著無鉛化與無鹵化等環保運動的深入，電子制造面臨著越來越多的技術挑戰與壓力，其中受影響最大的莫過于PCB 與元器件等的供應商。按照作者的經驗和初步的統計，無鉛產品中所暴露的質量問題70％以上與PCB 的質量有關，特別是焊盤的表面處理與基材的穩定性等方面，常常由于鍍層不良，如腐蝕、氧化以及污染等原因導致本身就已經困難的無鉛焊接更多的不良。不過令人欣慰的是由于這類原因導致的焊接不良比較容易發現并很快得到解決。最近筆者發現，有一類焊盤的鍍層既無污染又無明顯的腐蝕或氧化，但其就是不能被焊料很好的潤濕，造成這類問題的原因一時難以分析清楚，給相關各方帶來許多困擾。本文將就此類非典型問題展開研究，并通過一個案例來介紹這一分析解決問題的思路與方法。
1 樣品描述
如樣品是一塊不良PCBA和一塊同批次的PCB光板樣品，以及一塊只印刷錫膏沒有貼裝零部件并經過回流焊的PCB樣品（見圖1）。問題反映使用該批PCB樣品的PCBA存在明顯多處焊接不良，沒有貼件的經過回流焊的PCB上也有多處焊盤潤濕不良，所用焊錫膏經過確認沒有質量問題。依據委托單位要求，對該批樣品焊接不良的原因進行分析，以便找到改進的依據。

圖1 焊接不良樣品接收態外觀照片（左：PCBA，右：PCB空板回流后樣品）

2 分析過程
2.1 外觀檢查
首先對失效樣品進行了外觀檢查，發現失效樣品的焊點焊盤表面普遍存在不潤濕和反潤濕現象，部分引腳間還存在少量錫珠，PCB焊盤的表面處理為化學鎳金（ENIG），代表性外觀照片如圖2所示。顯然，盡管經過了焊錫的高溫回流過程，但表面的金鍍層仍然存在沒有溶解，焊錫依然沒有辦法潤濕焊盤的某些部位或某些區域的焊盤。

                          圖 2 焊點表面代表性外觀照片

2.2 可焊性測試
為了確認PCB焊盤上錫不良是否與其焊盤焊接前受污染有關，參考IPC-J-STD-003B標準的方法Test C1，對PCB空板樣品清洗前后的焊盤分別進行可焊性測試，清洗條件是異丙醇與純水溶液中超聲波清洗10分鐘，測試條件：焊料組成：Sn96.5Ag3.0Cu0.5；焊接溫度：255℃；活性焊劑：松香：25%，異丙醇：74.61%，二乙胺鹽酸鹽：0.39%；焊接時間：5＋0/－0.5s。結果發現：所檢焊盤清洗前后均存在明顯的反潤濕和不潤濕，所檢焊盤可焊性不符合標準IPC-J-STD-003B規定的TEST C1項的可接收要求。可焊性測試后代表性外觀照片如圖3所示。

圖3 焊盤可焊性測試后代表性照片（左：清洗前，右：清洗后）

2.3 金相切片及SEM/EDS分析
任選一焊接不良的IC器件的焊點，制作其金相切片并對其進行SEM&EDS分析，結果發現：所檢焊點引腳一側焊接界面可見均勻連續的金屬間化合物（IMC）層，IMC層平均厚度約1.8μm，而PCB焊盤一側焊接界面IMC層不連續，且焊盤鎳（Ni）鍍層普遍存在微小裂縫，嚴重處裂縫深度達鎳層厚度的三
分之二，代表性SEM 照片如圖4所示。此外，任選一空板回流后的焊盤對其截面進行SEM&EDS分析發現，焊盤鎳層同樣存在較嚴重的裂縫，代表性SEM照片如圖5所示。

為進一步確定PCB焊盤鎳鍍層的質量，在空白PCB樣品上任選一空焊盤去金后對其表面進行SEM&EDS分析，結果發現，所檢焊盤存在一定程度的鎳層開裂，但磷（P）元素含量正常，約為7.9％wt，并沒有發現明顯的鎳腐蝕現象，代表性SEM照片如圖6所示。

圖4 PCBA焊點截面金相照片與代表性SEM照片

     

圖5 空白PCB回流后的焊盤焊點截面SEM照片      圖6 PCB樣品焊盤去金后的鎳鍍層表面SEM照片

將PCBA樣品上器件機械剝離后對其焊盤表面進行SEM&EDS分析，結果發現，所檢焊盤表面普遍存在較嚴重的裂縫，磷含量約10.9％，代表性SEM照片如圖7所示。

圖7 PCBA樣品焊點破壞后的焊盤表面代表性SEM照片與EDS譜圖

2.4 金層厚度測量
在PCB空板上任選四個焊盤采用XRF測量鍍層厚度，結果發現所測金鍍層最厚均在0.057μm左右，符合有關標準的要求，不會因此導致潤濕不良問題。
2.5 光電子能譜分析
通過SEM與EDS的分析，發現焊盤的表面處理沒有明顯的結構或成分的異常，雖然也發現潤濕不良的焊盤的鎳鍍層有一定的裂紋，增加了被氧化的機會，但鎳并沒有明顯的氧化或腐蝕跡象；通過回流后的切片看，即使在有裂紋的地方焊錫也發生了一定程度的潤濕。因此，為進一步發現導致焊盤不良潤濕的深層次原因，本文再采用X射線光電子能譜（XPS）技術分析焊盤表面的元素分布。使用的儀器型號鎳層裂縫為Kratos Axis Ultra，利用X射線光電子能譜在表面分析以及元素縱向分布的高靈敏度優勢，對未焊接的清洗后PCB焊盤表面進行元素深度分布分析。
結果發現，淺表面（約3nm以內）XPS能譜圖如圖8所示，所檢測的焊盤淺表面存在10.2wt％的鎳（Ni）元素，且在用氬離子束對鍍層表面蝕刻3分鐘后（到達縱向深度約15nm），鎳元素含量隨著蝕刻時間（深度）的增加而明顯增加。PCB焊盤表面各元素組成（約50nm以內）含量隨蝕刻時間變化圖如圖9所
示。很明顯，本應當是純金鍍層的焊盤的非常淺表面都有鎳元素存在，這意味著本應該在50nm金鍍層以下的鎳鍍層中的鎳擴散到了金的表面（注：XPS分析的焊盤金鍍層沒有發現裂紋）。

                     圖8 PCB空焊盤淺表面XPS能譜圖
 

圖9 PCB空焊盤表面元素含量隨蝕刻時間變化圖（蝕刻速度約5nm/min）

3 分析與討論
       對PCB 清洗前后的空焊盤進行可焊性測試，發現均存在明顯的不潤濕和反潤濕現象，焊盤可焊性不符合標準IPC-J-STD-003B 的TEST C1 項的技術要求，表明上錫不良不非因焊盤表面污染造成。用SEM/EDS 對失效樣品進行分析，發現上錫不良主要表現為焊料對PCB 焊盤嚴重潤濕不良。所檢焊點引腳一側焊接界面可見均勻連續且厚度適中的IMC 層，表明焊接工藝不存在問題。所檢PCB 焊盤一側焊接界面IMC 層不連續，且焊盤鎳鍍層普遍存在微小裂縫，但尚未能充分證明焊盤的不良由此引起。
      進而對PCB 空焊盤以及焊接后的焊盤表面進行SEM/EDS 分析顯示，焊盤表面均存在明顯開裂，但沒有發現鎳鍍層表面有明顯的腐蝕或氧化現象，對鍍層厚度的檢測還發現金鍍層的厚度符合有關標準的要求。

       進一步采用X 射線光電子能譜儀對PCB 空焊盤以及焊接不良焊盤表面進行元素深度分布分析，結果發現焊盤非常淺的表面均存在鎳元素，表明鎳元素在焊接之前已擴散到金鍍層表面，鎳擴散至金鍍層而形成的鎳金固溶體增加了金元素在焊接過程中向焊料內擴散溶解的難度，阻慢了焊錫浸潤焊盤表面的過程，嚴重的甚至導致回流焊后鍍金層仍然存在，外觀檢查的結果也證實了這個推理。只要焊盤表面的金鍍層沒有溶解，真正良好的錫鎳合金焊點就無法形成。此外，鎳擴散至金鍍層表面還增加其氧化的機會，連同鎳金固溶體的在焊錫中的難熔解性，嚴重降低PCB 焊盤的可焊性，導致最終焊接不良的發生。
根據擴散過程動力學原理，鎳擴散的發生跟溫度和時間有很大的關系。因此，加強在化學鍍金的工藝過程中工藝控制，以及產品的貯存環境與時間的控制都需要嚴加考慮。

結論
對于潤濕不良且無明顯的氧化污染或被腐蝕的特征的非典型焊盤，業界一直找不到真正的原因。本文通過引入光電子能譜（XPS）的表面分析手段，對潤濕不良的焊盤的表面化學物質組成及其深度分布進行了分析，結果發現鎳鍍層中鎳的擴散至金表面，導致了焊盤可焊性的急劇下降。最終揭示了導致使
用該焊盤進行焊接而引起的焊接不良的主要原因，為下一步避免或控制類似問題提供了改進的依據。