失效分析實(shí)驗(yàn)室半導(dǎo)體工程師2021-12-19 08:36 隨著無鉛產(chǎn)品的進(jìn)步，沉金處理已成為主流的無鉛表面處理。沉金又稱化學(xué)鍍鎳金、鎳沉金、化學(xué)金。這是在印刷電路板(PCB) 的裸銅表面涂上可焊涂層的工藝。集焊接、接觸連續(xù)性和接線于一體。廣泛受到PCBA（印刷電路板組裝）客戶的青睞，具有散熱能力，可滿足日益復(fù)雜的PCB組裝和焊接要求。然而，隨著無鉛焊接峰值溫度的升高，焊接工藝窗口從50 C 降至15 C。焊料、PCB表面處理、元件表面處理的多樣化導(dǎo)致了許多兼容性問題，尤其是浸金PCB焊盤不沾濕這一更為復(fù)雜的問題。如圖1所示，不合格樣品的焊盤普遍鍍錫不足。這主要是因?yàn)楹副P的某些區(qū)域沒有鍍錫，表面的金層沒有完全溶解在焊料中。在正常焊接過程中，鎳金焊盤一旦在高溫下焊接，表面金層就會迅速熔化到焊料中，形成AuSnX系列合金，該合金會迅速從焊盤?*�落并进入焊连F(xiàn)�。褩U俅�播。本昔[氐憬檣芡暾�的焊艦┗润湿分锡b椒ǎ�为分锡p徒餼齔兩餚CB焊盤不潤濕問題提供有力的分析方法和手段。 1、焊接熱如果焊盤不濕，首先應(yīng)調(diào)查焊接過程中的因素。焊接熱量不足或焊膏潤濕性差也會導(dǎo)致焊盤不濕潤。因此，我們首先需要對NG（No Good）產(chǎn)品的不良和良好焊點(diǎn)進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）切片分析，以分析元件可焊端/引線的焊料潤濕情況。焊膏及其界面處IMC（金屬間化合物）層的厚度決定了焊接過程是否成功。 1.1 不良品上的缺陷焊點(diǎn)分析將不良品上的缺陷焊點(diǎn)切片，用SEM觀察橫截面，如果橫截面如圖2所示，則表明焊料已結(jié)塊。與電阻可焊端接觸，界面濕潤但潤濕性良好，界面金屬間化合物厚度約為1.3m。焊料不會潤濕焊盤，在非潤濕區(qū)域可以看到有明顯的金層覆蓋在PCB焊盤的鍍錫區(qū)域，并且焊料潤濕了PCB焊盤。這表明焊接熱或焊膏潤濕性不存在問題。相反，如果器件側(cè)沒有形成良好的IMC層，則可能是由于焊接熱量不足或焊膏潤濕不良造成的。 1.2 NG 產(chǎn)品上鍍錫良好的焊點(diǎn)分析當(dāng)我們將同一NG 產(chǎn)品上鍍錫良好的焊點(diǎn)切片并使用SEM 觀察橫截面時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)結(jié)合良好，如下所示如圖3所示�？梢钥吹健�將元件潤濕良好，界面處的IMC層厚度約為1.2m，PCB焊盤側(cè)也被潤濕。這表明焊接熱或焊膏潤濕性不存在問題。 2、鍍金鎳厚度：一般鍍金鎳焊盤表面要求金厚度為0.0500.152m，鎳厚度為38m。如表1所示，多項(xiàng)研究結(jié)果表明金厚度對焊料延展性有顯著影響。即金層越薄，焊料的延展性越差，金層越厚，焊料的延展性越好。金和鎳的厚度影響焊接效果的機(jī)理是金和銀在強(qiáng)熱下都能快速形成IMC（AuSn4和Ag3Sn），并且IMC能快速分散和溶解在液體中，因此具有良好的焊接性能。焊接性能。焊接。與銅（0.104m/s）和鎳（0.104m/s）這兩種賤金屬相比，高錫含量的SAC305焊料中金的溶解速度可以達(dá)到2.995m/s，銀的溶解速度也高達(dá)1.107m/s。 /s).m/s)。 0.001 微米/秒）。因此，如果沉金鍍層不鍍錫，應(yīng)在消除焊接工藝因素后盡快使用金厚測試儀測試金鎳厚度。

3、鎳層中的磷含量從SEM掃描顯微照片看，低P含量的鎳層晶格邊界明顯，但高P含量的鎳層表面晶格模糊，呈非晶態(tài)，顯示出結(jié)構(gòu)。高P含量的Ni-P鍍層優(yōu)異的耐腐蝕性是由于其非晶結(jié)構(gòu)，非晶結(jié)構(gòu)沒有晶界、位錯(cuò)、孿晶等缺陷，耐腐蝕性相對較低且良好。但P含量高的鎳層減少了焊縫金屬的有效量，而且焊接時(shí)P不再參與焊縫合金層組織，所以如果P含量超過一定水平，鎳層表面就會惡化.鎳層的耐腐蝕性明顯提高，但同時(shí)潤濕性能和可靠性降低。如果確定金鎳膜厚度沒有異常，則需要進(jìn)一步利用EDX分析鎳層的磷含量，鎳層的磷含量一般為7%~11%。是。 4、鎳腐蝕：當(dāng)鎳腐蝕嚴(yán)重時(shí)，焊盤往往不濕潤，意味著Ni層被深度腐蝕，造成焊點(diǎn)失效的ENIG（化學(xué)鍍鎳/沉金）失效模式。業(yè)內(nèi)普遍接受的確定鎳腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)是： 1) 采用3000倍放大倍數(shù)的SEM觀察，距焊盤表面50m范圍內(nèi)超過鎳層厚度40%的鎳腐蝕深度不超過4個(gè)。 2) 如圖4 所示，IMC 涂層不能耐受持續(xù)的Ni 腐蝕。如果沉金墊未濕潤，則使用SEM觀察鎳層的縱向切片以檢查鎳腐蝕情況。 5. 焊盤表面污染5.1 異常元素分析對鍍錫不良的焊點(diǎn)進(jìn)行EDX（能量色散X 射線光譜）成分分析，檢查是否存在異常元素。在PCB制造過程中，文字和阻焊孔等工藝會導(dǎo)致焊盤上出現(xiàn)文字和阻焊劑，使焊盤不再濕潤。如圖5所示，印臺表面存在一種稱為Ti的異常元素，它是字符墨水的特征元素，可以確定存在字符沾污。為了解決字母拖到焊盤上的問題，可以使用沉金預(yù)印字母工藝。這樣可以有效避免焊盤上字符污跡造成的焊接缺陷。目前業(yè)內(nèi)許多PCB制造商都在使用沉金預(yù)印本。字符過程。 5.2 有機(jī)污染分析若進(jìn)行EDX元素分析，未檢出明顯異常元素，則需觀察氧含量是否正常。如圖6所示，這塊未鍍錫的焊盤表面Au層的氧含量比較高，說明該焊盤存在一定的氧化或者有機(jī)污染。接下來，按照IPC-J-STD-003B中的方法，用20%體積的HCl清洗不潤濕焊盤，如果清洗后可焊性明顯改善，則說明已經(jīng)發(fā)生了一些氧化，可以進(jìn)一步確認(rèn)或墊上有有機(jī)污染物。焊盤表面是否有異常元素，或者焊盤表面是否有氧化物或有機(jī)污染物？經(jīng)過筆者深入實(shí)踐，PCB封裝前采用體積分?jǐn)?shù)1%~3%稀硫酸清洗+超聲波水清洗，可以有效避免焊接缺陷問題。異丙醇、檸檬酸和鹽酸等清潔方法效果有限，不推薦使用。特別是禁止使用鹽酸清潔金表面，因?yàn)樗鼤��?dǎo)致嚴(yán)重的鎳腐蝕問題。 6、金層氧化如果以上分析結(jié)果均正常，則浸金表面后，需要用SEM觀察檢查金表面是否經(jīng)過噴砂等物理處理。一般情況下，如果金面出現(xiàn)正常酸洗處理無法處理的異常情況，如金面臟污、金面發(fā)紅、金面氧化等，一些PCB廠家會采用噴砂等物理方法。 過程。金色表面。如圖7所示，浸金后進(jìn)行噴砂時(shí)，整個(gè)金表面的晶體結(jié)構(gòu)被完全破壞，鎳漏出，金原子之間的大量鎳原子從這部分被氧化，這最終會導(dǎo)致焊盤故障。

7、結(jié)論1）如果沉金PCB焊盤無潤濕性，主要應(yīng)從以下六個(gè)方面進(jìn)行失效分析：焊接熱量不足，鎳層磷含量異常；鎳腐蝕，鎳異常金層厚度； 焊盤表面污染； 金層氧化。 2) 浸金后采用物理方法返修金面，會使金晶格變形，使裸露鎳位處的鎳氧化，導(dǎo)致焊盤變得不潤濕。 3）PCB封裝前，PCB清洗+體積分?jǐn)?shù)1%-3%稀硫酸超聲波水清洗，可有效避免焊接缺陷問題。 4）采用沉金預(yù)印字可以有效避免因焊盤字污跡而造成的焊接缺陷，目前被業(yè)內(nèi)多家PCB廠家采用。半導(dǎo)體工程師分享半導(dǎo)體經(jīng)驗(yàn)、交流半導(dǎo)體成果、發(fā)布半導(dǎo)體信息。半導(dǎo)體行業(yè)趨勢、半導(dǎo)體從業(yè)者職業(yè)規(guī)劃、芯片工程師成長歷程。