无铅喷锡SMT上锡不良的几种分析思路

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1、无铅喷锡在SMT上锡不良的几种分析思路1、无铅喷锡的历史演变：热风整平作为一种PCB焊锡面的表面处理方式在PCB行业已广泛应用了数十年，然而自WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment和ROHS (Restriction of Use of Hazardous Substances) 的先后出台，所有电子产品无铅化的转变让所有人意识到有铅制程的气数已尽。国内也于2007年6月份开 始了无铅化的进程推进,无铅的表面处理方式也随之发展。于是出现了多种无铅表面处理方式:(1) 化学浸镍金(ENIG： Elec troless Nickel

2、 and Immersion Gold)。(2) 化学浸锡(ITin:Immersion Tin)。(3) 化学浸银(I. Ag： Immersion Sliver)。(4) 有机保护膜(OSP： Organic Solderability Preservatives)。(5) 无铅焊料热风整平(HASL： Tot Air Solder Levelling)。本文重点介绍此种表面处理方法在SMT 生产过程中上锡不良的几种因素及处理对策。2、无铅喷锡的工艺方法：要解决无铅喷锡在SMT生产时出现上锡不良，首先得对无铅喷锡工艺有个详细的了解。下面介绍的为 无铅喷锡工艺方法。无喷锡分为垂直喷锡和水平喷

3、锡两种，其主要作用为：A、防治裸铜面氧化；B、保 持焊锡性.喷锡的工艺流程为：前清洗处理一预热一助焊剂涂覆一垂直喷锡一热风刀刮锡一冷却一后清洗处理A. 前清洗处理：主要是微蚀铜面清洗,微蚀深度一般在0.751。0微米，同时将附着的有机污染物除去,使铜面真正 的清洁，和融锡有效接触，而迅速的生成IMC;微蚀的均匀会使铜面有良好的焊锡性；水洗后热风快速吹 干；B. 预热及助焊剂涂敷预热带一般是上下约1.2米长或4英尺长的红外加热管，板子传输速度取决于板子的大小，厚度和其 复杂性；60mil(1。5mm)板子速度一般在4。69。Om/min之间；板面温度达到130-160度之间进行助 焊剂涂敷，双面

4、涂敷,可以用盐酸作为活化的助焊剂;预热放在助焊剂涂布以前可以有效防止预热段的金 属部分不至于因为滴到助焊剂而生锈或烧坏;C. 沾锡焊锡：融锡槽中含锡量约430公斤左右，为纯锡或SN100C共熔eut ec tic组成的焊锡合金，温度维持在260度 左右；为避免焊锡与空气接触而滋生氧化浮渣，在焊锡炉的融锡便面故意浮有一层乙二醇的油类，该油 类应考虑与助焊剂之间的兼容性compatible;板子通过传输轮滚动传输速度约9.1m/min,在锡炉区有三 排上下滚轮，停留时间仅约2秒；前后两组滚轮之间的跨度为6英寸，滚轮长度为24英寸以上，故可以处 理的板面上限为24英寸；上下风刀劲吹，上下风刀之间的间

5、距为530mil,风刀与垂直方向的月呈2-5 度倾斜有利于吹去孔内的锡及板面的锡堆；D. 热风压力设定的相关因素：板子厚度，焊盘的间距，焊盘的外形,沾锡的厚度(垂直喷锡中为了防止风刀与已变形的板面发生刮 伤，风刀与板面之间的距离相当宽，故容易造成焊盘锡面的不平)E. 冷却与后清洗处理：先用冷风在约1。8米的气床上由下向上吹，而将板面浮起，下表面先冷却，继续在约1。2米转轮承 载区用冷风从上至下吹；清洁处理除去助焊剂残渣同时也不会带来太大的热震荡thermal shock3、无铅喷锡PCB的几个关键点:A. 水平喷锡的厚度：2。54um (100mil),5。08 um (200mil), 7.

6、62 um (300mil),可以通过微切片测定锡厚：细抛光 后用微蚀方法找出铜锡合金之间的IMC厚度，微蚀药水的简单配制：双氧水与氨水1：3的体积比微蚀10-15 秒钟；IMC的厚度一次喷锡一般在6微英寸(0。32um)，2次在8个微英寸左右(0。447um);喷锡厚度可以 用xra y荧光测厚仪测定.B喷锡厚度与风刀的关系：焊盘上能够保留的锡厚受两种作用力因素影响：a.表面张力surface tension决定最后平衡后的着锡 厚度，焊盘的面积大时，其固化后着锡的厚度也较高b.风刀的压力；风刀压力大，最后着锡的厚度也会降 低，外形较小的焊盘其表面张力通常比较大，可耐得住热风刀的推刮，故可以

7、留下较厚的焊锡;外形较大 的焊盘，表面张力较小，热风刀会刮去较多的锡，仅在焊盘末端留下较小的锡冠cresb；C.通孔壁上的锡厚：孔壁上由内层平环引出或延伸者，会造成一座散热座heat sink效应，使喷上的融锡比较容易冷却固 化，固锡层较厚一般无孔内平环的镀通孔内孔内所能保持的锡厚与通孔的纵横比似乎并无明显的关联； 孔拐角处锡厚约0。75微米30微英寸左右，从孔两端转拐角到孔中心，锡厚渐增；孔径的缩减量约为18-30 微米，以孔中央缩小得最为显着，该处沾锡层最厚；D。喷锡完后的PCB表面俯视图:E。喷锡完后的PCB纵切面图:4、 IMC Intermetallic compound对无铅喷锡有

8、个基本概念后，在无铅喷锡的过程中，IMC是喷锡能完成的关键因素，因此本节来对IMC 进行解读。IMC系Intermetallic compound之缩写，将之译为”介面合金共化物”，可以简称“介金属”。 IMC广义上说是指某些金属相互紧密接触之介面间，会产生一种原子迁移互动的行为，组成一层类似合金 的”化合物”，并可写出分子式。在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中 尤以铜锡间之良性Cu6Sn5 (Eta Phase)及恶性Cu3Sn(Epsilon Phase)最为常见，对焊锡性及焊点可靠度 (即焊点强度)两者影响最大。A、定义能够被称焊锡(Solder)所焊接的金属

9、，如铜、镍、金、银等，其焊锡与被焊底金属之间，在高温中 会快速形成一薄层类似”锡合金”的化合物。此物起源于锡原子及被焊金属原子之相互结合、渗入、迁移、及扩散等动作，而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的”共化物”，且事后还会逐渐成长增厚此类 物质其老化程度受到锡原子与底金属原子互相渗入的多少，而又可分出好几道层次来这种由焊锡与其被 焊金属介面之间所形成的各种共合物，统称Intermetallic Compound简称IMC。B、一般性质由于I MC曾是一种可以写出分子式的”准化合物”，故其性质与原来的金属已大不相同，对整体焊点 强度也有不同程度的影响，首先将其特性简述于下： IMC在PCB高温焊接

10、时才会发生，有一定的组成及晶体结构，且其生长速度与温度成正比，常温中 较慢。 IMC本身具有不良的脆性，将会损及焊点之机械强度及寿命，其中尤其对抗劳强度(FatigueSt reng th)危害最烈，且其熔点也较金属要高。由于焊锡在介面附近得锡原子会逐渐移走，而与被焊金属组成IMC，使得该处的锡量减少。 一旦焊点原有的熔锡层或喷锡层,其与底铜之间已出现”较厚间距过小的IMC后，对该焊点以后 再续作焊接时会有很大的妨碍;也就是在焊锡性(Solderability)或沾锡性(Wettability)上都将会出现 劣化的情形。焊点中由于锡铜结晶或锡银结晶的渗入，使得该焊锡本身的硬度也随之增加，久之会

11、有脆化的麻 烦。 IMC会随时老化而逐渐增厚，通常其已长成的厚度,公式表示为：与时间大约形成抛物线的关系，如右图所示6=k Vt,k = k exp(Q/RT)表示t时间后IMC已成长的厚度。K表示在某一温度下IMC的生长常数。T表示绝对温度。R表示气体常数，即8。32 J/mole。Q表示IMC生长的活化能。K = IMC对时间的生长常数，以nm / V秒或um / 日(1um / V 日=3.4nm / 秒5、无铅喷锡在SMT生产时上锡不良的几种分析方法:-咯7栄否匚-一二-金二Z-谒与唱种金斶都住产生IMC,伯且 林禺温卜会随I甘何酌为配而谨勵老 ft-血规再IMC 口昭A、双面板生产单

12、面时出现上锡不良或单面板生产时出现上锡不良，通过调整回流炉最高温度，将最高温 度上升，不良率得到降低，上锡不良明显减少。通过调整回流炉温度不良率降低，此时需要从无铅喷锡 工艺中的喷锡环节进行分析.在喷锡的过程中,含铜的PCB通过夹具不停的通过融锡槽，将锡喷在PCB表面使锡与铜焊接.在此过程中，铜与锡不停的发生置换反应，焊锡槽内铜的浓度会增加如下图所示，图中Y轴左边是铜浓度，X轴是处 理的板子数量，更确切的是铜面积量，以每磅焊料处理的铜面积打单位，由每块加工板的面积、加丁板 的数量、机器中含有焊锡重量来推算得出。图中右边Y轴铜浓度变化率，这同铜浓度上升相似。这个上升 率能清楚地看出任何二点铜浓度

13、变化，以及由sf/lb范围的不同。图中右侧Y轴表示了这些相关性焊锡槽 中当铜浓度较高时,铜增长速率会F降,如在运作板子300块后铜增长速率从0. 07%逐渐下降到0. 05%。基 本上第一次热风焊料整平后露铜面上要减少90微英寸的厚度；第二次热风焊料整平时变化较小可以不计。 所以锡炉内的液锡中，铜的含量会随着生产面积的增加而增加，当铜含量增加后在PCB表面的锡层合金的 锡就会发生较大的变化。3遇3茎翻W当铜的含量由0向0. 7%增加时，锡的合金的熔点由232向下行走；当锡铜合金以99. 3%： 0. 7%配比 时，其熔点在227C为最低熔点，此点为液相线固相线相交，这时是最佳的状态；当铜含量大

14、于0. 7%以后, 温度随着铜含量增加的斜率相当大（而此时呈现的坡度比实际的要小），即使按照现在的斜率进行计算，当 铜含量在1.1%时，其液相线对应的温度为236. 5C,达到1. 2%时，其对应温度为240C左右。如下图锡 铜合金液相线。I ! I 1 t t I t I IB、双面板生产单面时出现上锡不良或单面板生产时出现上锡不良，通过调整回流炉最高温度将最高温度 上升或降低，调整回流炉其他参数，不良率均没有变化。发生此种问题时，主要原因为融锡槽中锡受到污 染所致，尤其以硫元素污染最为普遍当融锡槽中铜含量超过PCB厂商设定的标准值时，厂商需对融锡槽进 行除铜处理，目前有三种方法：物理除铜；

15、更换部分或全部为新锡；硫磺除铜法。物理除铜是传统的除铜 法，由于我们要除去的其实就是IMC，而合金的比重在8. 28.3，而Sn/Ni/Cu合金的比重只有7. 4,所 以除铜时正好要把IMC从炉底部捞起。而换锡则相对简单。另外，专业代加工厂商一般选择硫磺除铜法， 将硫磺浸入到锡槽中，使硫与铜发生化学反应生成黑色的硫化铜化合物，这种方法有较大弊病，但目前加 工厂要对其成本效率进行考核，经常使用，其主要隐患为硫元素超标污染锡槽，导致SMT生产时上锡不良.C、双面板生产时第一面无上锡不良，第二面生产时出现上锡不良或第一面生产时出现不良，第二面生产 时不良更严重，通过调整回流炉，降低最高温度，回流时间，恒温时间，不良减少。发生此种问题的主要 原因为喷锡时风刀压力过大，喷锡厚度不足.外观不良现象，通过40倍显微镜检查，上锡不良位置表现为焊料对焊盘的反润湿现象，锡聚集在元件 底部，观察PCB表面，发现部分位置喷锡不平，如下图所示：锡聚焦在元件底部将PCB用XRAY荧光测试锡层厚度，最薄处锡厚为1。05um从以上几种现象及测试结果显示,初步分析为锡层太薄，无铅喷锡表面镀层在高温下的合金退化，导致可 焊性降低，使过炉后锡聚焦在可焊性好的元件底部。为验证此思路是否正确，对产品进行失效分析对PCB 进行能谱分析，对失效部位进行金相分析.能谱分析法,使用能谱仪对PCB表面进行成份分析:H