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2020-04-22

SMT焊后助焊剂锡膏残留清洗剂合明科技分享:深度解析SMT焊接异常与PCB镀层关系

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:483

SMT焊后助焊剂锡膏残留清洗剂合明科技分享:深度解析SMT焊接异常与PCB镀层关系

一、焊接分类

1.熔焊

2.压焊

3.钎焊


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电子装配的核心——连接技术:焊接技术

焊接技术的重要性 ——焊点是元器件与印制电路板电气连接和机械连接的连接点。焊点的结构和强度就决定了电子产品的性能和可靠性。

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焊接学中,把焊接温度低于450℃的焊接称为软钎焊,所用焊料为软钎焊料。

软钎焊的特点:

1钎料熔点低于焊件熔点。

2加热到钎料熔化,润湿焊件。

3焊接过程焊件不熔化。

4焊接过程需要加焊剂。(清除氧化层)

5焊接过程可逆。(解焊)

电子焊接——是通过熔融的焊料合金与两个被焊接金属表面之间生成金属间合金层(焊缝),从而实现两个被焊接金属之间电气与机械连接的焊接技术。

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电子焊接(SMT焊接)属于软钎焊


二、PCB镀层

PCB表面处理:对需要焊接元件的裸露焊盘进行镀层处理了。

目的:增加可焊性,和保护作用。

PCB表面处理方式:在裸露的底材铜面上进行表面处理

PCB表面镀层的处理方式分类

1.喷锡

2.OSP

3.化学锡

4.化学银

5.电镀镍金

6.化学镀镍金

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1.无铅喷锡

•流程:微蚀-水洗-涂耐高温助焊剂-喷锡-水洗。(有的厂在微蚀前先预热板子)。

•过程:PCB喷锡时,浸在熔融的无铅焊料中(约270℃),快速提起PCB,热风刀(温度265-270℃)从板子的前后吹平液态焊料,使铜面上的弯月形焊料变平,并防止焊料桥搭。

•设备:水平式,垂直式无铅热平整平机。(水平式得到的镀层均匀些,自动化生产)。

•物料:无铅焊料,如SnCuNi,SnCuCo,SnCuGe或305焊料。耐高温助焊剂。

•要求:焊盘表面2-5微米,孔内应小于25微米(也有放宽到38微米)。

•特点:涂覆层不够平坦,主要适用于宽线,大焊盘板子,HDI板通常不采用。对覆铜板耐热性要求高。喷锡制程比较脏,有异味,高温下操作,危险。其使用受到一定的限制。


2.OSP

•又称为preflux(耐热预焊剂),是早期松香型助焊剂的延续和发展。

•流程:除油-微蚀-酸洗-纯水洗-OSP-清洗-吹干。

•五代产品:⑴咪唑(或苯并三氮唑)类;⑵烷基咪唑类;⑶苯并咪唑类;               ⑷烷基苯并咪唑类。⑸烷基苯基咪唑类。

•第4代:目前使用最多的是烷基苯并咪唑,热分解温度250-270℃,适用于无铅焊接温度(250-270℃)下多次回流焊接温度。

•第5代:   烷基-苯基-咪唑类HT-OSP。分解温度为354℃,具有好的热稳定性,在焊接界面上不容易形成微气泡,微空洞,提高了焊接结合力。

•原理:在铜表面上形成一层有机膜,牢固地保护着新鲜铜表面,并在高温下也能防氧化和污染。OSP厚度0.1-0.2微米,或0.2-0.5微米。

•特点:工艺简单,成本低廉,既可用在低技术含量的PCB上,也可用在高密度芯片封装基板上。是最有前途的表面涂覆工艺。(争议点:装配时分不清颜色,OSP同铜色泽相仿,划伤板子,影响焊接,OSP储存期约6个月)。目前,OSP可经受热应力(288℃,10s)三次,不氧化,不变色。


3.化学锡

•流程:除油-微蚀-酸洗-纯水洗-沉锡-清洗。

•特点:由于目前所有焊料都是以锡为主体的,所以锡层能与任何种类 焊料相兼容。从这个角度看,沉锡在PCB表面涂覆几个品种比较中有很好的发展前景。

•厚度:1.0±0.2微米。

•问题:⑴经不起多次焊接,一次焊接后形成的界面化合物会变成不可焊表面。

   ⑵会产生锡须,影响可靠性。

   ⑶沉锡液易攻击阻焊膜,使膜溶解变色,对铜层产生倒蚀。

   ⑷沉锡温度高,≥60℃,1微米锡层需沉十分钟。

•改良:在沉锡液中加入有机添加剂,使锡层结构呈颗粒状,克服了锡 

        须,锡迁移问题,热稳定性亦好。

•使用:有的客户指定,用沉锡镀层,比无铅喷锡层平坦。通信母板适用。

        沉锡后板子应存放在良好的房间中,在存贮有效期内使用。


4.化学银

•流程:除油(脱脂)-微蚀-酸洗-纯水洗-沉银-清洗。

•特点:⑴工艺简单,快捷,成本不高。

   ⑵沉Ag液含一些有机物,防银层变色,银迁移。

   ⑶镀层厚度0.1-0.5微米(通常0.1-0.2微米)焊接性能优良。

   ⑷银层在组装时具有好的可检查性(银白色)。

•问题:·浸Ag生产线上全线用水为纯水。防银层变黄发黑。

      (自来水中有氯离子,Ag+Cl   AgCl,生成白色沉淀)

   ·银与空气中的硫易结合,形成硫化银,黄色或黑色。

    所有操作,贮存,包装,均需戴无硫手套,无硫纸包装,贮存环境要求高。不容许用普通纸相隔板子,不允许用橡皮圈包板子。

   ·防银离子迁移,已沉银板子不得存放在潮湿的环境中。在贮存期内使用。

        参看CPCA标准“印刷板的包装、运输和保管”(CPCA1201-2009)。

•应用:客户指定。在高频信号中,沉Ag板电性能良好。欧美不少用户要求作沉Ag板。


5.电镀镍金

•流程:除油-微蚀-酸洗-纯水洗-镀镍-纯水洗-镀金-回收金-水洗•镀层类型:

  ⑴镀硬金。

    用在:PCB插头,按键上。

    特点:·耐磨,接触良好,有硬度(120-190㎏/㎜²﹚

         ·镍打底,Ni层厚度3-5微米;金厚度:0.1,0.25,0.5,0.8,1.0…微米。

     ·金镀层含有钴(Co,0.5%﹚,或Ni锑等金属。

  ⑵镀软金。纯金,24K金。

    用途:焊接用。

    特点:·镍打底,≥2.5微米,防止金层向铜层扩散,镍层在焊接时牢固同焊料结合。

        ·镀Au层很薄,0.05-0.1微米。

•特点:·线路上要镀上金,成本高,目前已很少使用。

    ·金面上印阻焊剂,阻焊易脱落。

    ·焊接时金层会变脆。(焊料中金含量≥3%时)


6.化学镍金

英文全称:Electroless Nickel and Immersion Gold。简称ENIG。化镍沉金。

·流程:除油(脱脂)-微蚀-活化-化学镍-化学金-清洗。

·特点:

  ⑴化学镀Ni/Au镀层厚度均匀,共面性好,可焊接性好,优良的耐腐蚀性,耐磨性。

    广泛应用于手电、电脑等领域。

  ⑵镍层厚度3-5微米,目的防铜-金界面之间互相扩散,保证焊点可靠焊牢。

  ⑶化学Ni/Au已迅速取代电镀Ni/Au。

  ⑷化学镍是工艺关键,又是最大难点。

  ⑸化金层通常为0.05-0.15微米。

•反应机理:

  ⑴化镍:·铜面在金属钯催化下,通过溶液中的还原剂和镍离子开始镀镍反应。镍本身是进一步化学镀镍的催化剂,在溶液中的还原剂次磷酸钠的作用下,化学沉镍过程会不断继续下去,直至产品在槽液中取出。磷在沉积过程中同镍共镀到镀层中,化学沉镍,实际是化学沉镍磷合金。

  ⑵沉金:氧化还原反应。通过镍金置换反应在镍面上沉积上金。


•化学镀镍层实际上是镍-磷(Ni-P)合金层。镀液中的次磷酸根离子(P为P2+)在镀液中主要作为还原剂,但是P2+也可以发生歧化反应,自我还原成单质P,并和Ni原子一起沉积,同时有氢气(H2)放出[2]。从Ni-P二元相图来看,P在Ni中的溶解度非常小,其共晶点位置(势能最低)存在Ni和Ni3P两个稳定固相,其中Ni3P相更加稳定。

•化学镀金是一种置换反应,在镀液中,Au离子从基板上的Ni原子中得到电子,结果是Ni原子变成离子溶解到镀液中,Au离子变成原子沉积到基板上。•2 Au(CN)2—  +  Ni  → 2 Au +Ni2+  + 4 CN —[3]

•当Ni层表面完全被Au原子覆盖时,即镀液和Ni原子不接触时,反应即停止。Au层的厚度通常在0.05-0.1mm之间,其对镍面具有良好的保护作用,而且具备很好的接触性能。

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表面处理方式

镀层特性

制造成本

  厚度

(微米)

保存期

应用比例

无铅

喷锡

镀层不平坦,主要适用于大焊盘、宽线距的板子,不适用于HDI板。制程较脏,味难闻,高温。

中高

焊盘上2-5

孔内≤25


1年


20%

OSP

镀层均一,表面平坦。外观检查困难,不适合多次reflow,防划伤。工艺简单,价廉。焊接可靠性好。

最低

0.1-0.5

半年

20-25%

化学镍金

镀层均一,表面平坦。可焊性好,接触性好,耐腐蚀性好,可协助散热。工艺控制不当,会产生金脆,黑盘,元件焊不牢。

Ni 3-5

Au0.03-0.08

1年

30-35%

化学锡

镀层均一,表面平坦。锡须难管控,耐热性差,易老化,变色。可焊性良好。

0.8-1.2

半年

5-10%


化学银

镀层均一,表面平坦。可焊性好,可耐多次组装作业。对环境贮存条件要求高,易变黄变色

0.1-0.5

半年

5-10%

电镀镀镍金

镀层不均一,接触性好,耐磨性好,可焊。

浪费金,金面上印阻焊附着力难保证。


最高

Ni3-5

Au0.05

1年

10%

焊接时

  ·焊接的实质是在镍的表面进行的。

  ·金层是为了保护新鲜的镍表面不被氧化。金层不应太厚。

  ·在焊接的温度下,很薄的金层会迅速融入焊料中。

  ·焊接时,在镍表面首先形成Ni3Sn4的IMC结构,是一层平整针状的表面。这层化合物能够降低焊料与Ni-P层之间的反应,成为很好的阻挡层。

  ·但是,熔融的Sn易于通过NiSn的空隙进入到Ni3Sn4界面,并形成Ni3SnP的界面共晶化合物,引起Ni3Sn4破裂,造成可焊性问题。

焊接时产生的IMC

  IMC:Intermetallic Compound的缩写。中文:介面金属间化合物。

      化Ni沉Au层作无铅焊接时,金层在充足的热量下,会迅速溶入焊锡的主体中,形成四处分散的AuSn4的介面金属间化合物。金溶入的速度比镍要快几万倍(溶速为117微英寸/秒)。而只有镍和锡在较慢的速度下形成的共晶化合物Ni3Sn4而焊牢。所以说,沉Ni/Au层在焊接时形成焊接牢固的是Ni3Sn4这一层IMC(介面金属间化合物)。

      化Ni沉Au焊接中IMC的厚度一般在1-3微米。过厚,过薄的IMC层都会影响到焊接强度。


印刷完锡膏后之ENIG板


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焊接过程中金开始融化并扩散到焊料中,锡与镍将形成IMC层。


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焊接完成镍与锡形成IMC层(金完全融解后扩散到IMC层中,磷由于部份镍参与形成IMC再次富集在镍层与IMC层之间。)SMT焊接锡膏残留清洗剂合明科技,微信图片_20200422095452.png

焊接完成后形成的良好IMC层、完全无腐蚀和明显富磷层的SEM照片(如此焊接镀层肯定不会有任何的失效问题)

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三、SMT焊接异常和PCB镀层关系


化镍金主要缺陷

  ·黑点,黑斑,黑盘。

  ·浅白(色泽不一)。

  ·可焊性差,焊点裂开。

  ·金脆。

  ·富磷层,导致焊点强度不足,元件会脱落。


缺陷原因分析

  ·当镍层厚度小于2微米时,或不均匀的Ni层(表面处理不好),这时Ni表面显得

    浅白。

  ·当镍、金面受到了污染,腐蚀时,会产生黑点,黑盘。

  化镍后,水洗不良,水质差,或在空气中暴露太久。

  沉金反应过度,镍层氧化。

  沉金后水洗不良。

  沉镍金后储存条件差。

  ·当金层太厚,金在焊料中的重量比>0.3%时;或焊接温度不足时,会引起金的不完

    全扩散。这时的焊接层IMC强度不足,脆性增大,这就是金脆。

  ·当富磷层太厚,镀层中含P太高(>9%),会导致焊点强度不足,元件易脱落。

    太厚的IMC层在一定程度上降低焊点的机械结合强度。

  ·镍层的含磷量,对镀层的可焊性和腐蚀性至关重要,P占6-9%合适。IMC不能太厚,控制1-3微米为宜。难点,关键点是控制好镍槽。


富磷层太厚原因

  ⑴沉镍液中磷含量偏高,化镍过程控制不当。镍镀液寿命短。通常4-5MTO后,重新开缸。

    (MTO—金属置换周期)

  ⑵沉镍后水洗,清洁不良,镍面被污染、氧化。被氧化、污染了的镍不会参与镍金之间

    的置换反应,在被沉金层覆盖后表现为富磷层。

  ⑶沉金过程金层越厚,置换出的镍越多,镍面受到过度腐蚀,形成的富磷层越厚。

    沉金不是越厚越好。焊接用金层控制在0.03-0.08微米(1-3微英寸为佳)。

  ⑷IMC太厚。焊接过程中是镍与锡形成焊接层IMC,磷不参与焊接。

   所以在失去镍的部分磷含量则相对富集,IMC层越厚参与焊接的镍层越多,则富

磷层越厚。IMC控制1-3微米为合适。

    富磷层中P含量为15-18%,焊点开裂,焊接强度不足,元件脱落。往往发生在IMC与富磷层之间。

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黑焊盘导致掉件不良

1.黑焊盘产生机理

实际上,在镀金时,由于Ni原子半径比Au的小,因此在Au原子排列沉积在Ni层上时,其表面晶粒就会呈现粗糙、稀松、多孔的形貌形成众多空隙,而镀液就会透过这些空隙继续和Au层下的Ni原子反应,使Ni原子继续发生氧化,而未溶走的Ni离子就被困在Au层下面,形成了氧化镍(NixOy)。当镍层被过度氧化侵蚀时,就形成了所谓的黑焊盘。焊接时,薄薄的Au层很快扩散到焊料中,露出已过度氧化、低可焊性的Ni层表面,势必使得Ni与焊料之间难以形成均匀、连续的金属间化合物(IMC),影响焊点界面结合强度,并可能引发沿焊点/镀层结合面开裂,严重的可导致表面润湿不良或镍面发黑,俗称“黑镍”。

2.实际不良分析;

对不良焊点进行扫描电镜(SEM)分析,发现焊点周围有较多的不导电物质,进一步用X射线能谱仪(EDS)分析,发现不导电物质是助焊剂。采用异丙醇将助焊剂洗掉之后再对失效焊点进行SEM分析。因为焊接后,焊盘表面Au层已经扩散走,只剩下Ni层。发现露出的Ni层已经出现腐蚀,具有明显的黑焊盘特征。

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为了确认Ni层腐蚀的程度,对反润湿的焊盘位置进行切片,发现侧向腐蚀最深已经超出了Ni层厚度的一半,大约有2.8μm,且焊盘的边缘位置腐蚀程度更深,见图3。这种腐蚀必定给焊接时Ni和Sn的合金化带来不良影响。对同一块失效PCB上未焊接的焊盘的Ni层进行扫描电镜分析,同样发现Ni层也已经有明显腐蚀,但是腐蚀程度没有失效位置深,见图4。这和部分焊点失效的现象吻合。

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焊点出现焊接不良的主要原因是焊盘的镍层已经氧化腐蚀,直接影响了焊料和镍之间的合金化。黑焊盘不光影响到SMT的焊接,对目前的COB绑定工艺也存在潜在危害SMT焊接锡膏残留清洗剂合明科技,微信图片_20200422095525.png

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四、总结

1.良好的PCB镀层是完成SMT焊接的先决条件,是形成完美焊点的根本,是生产高可靠性电子产品的基础。

2.随着社会的发展SMT已经由有铅到无铅,再到目前的无卤。PCB也由简单的镍金工艺发展到镍钯金工艺,各项工艺变更后又会产生更多的焊接异常问题,比如:“头枕”不良,COB绑线焊盘和SMT焊接焊盘一起生产时对金层厚的管控等一系列连锁问题。

3.PCB镀层,在经过清洗后是否会产生变化,SMT后为了去除助焊剂采取的超声波清洗工艺,清洗完成的PCB焊盘镀层是否会遭到不可估计的破坏?清洗后产品频繁出现绑线不良,是否和镀层有关?

以上问题有待我们继续研究。

来源:SMT顶级人脉圈




以上一文,仅供参考!

 

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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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