关于焊接表面形成空洞方面

关于焊接表面形成空洞方面 林金堵 PCB在焊接表面产生空洞问，其因素是很多的，很难用简单的、或主观的思维方法而加以得出结论或原因。必须通过“调查研究”、“统计”、“分析手段与方法”等进行“具体问题”进行“具有分析”，才能从现象到本质来看清问题。本文仅从经常容易产生空洞的原因进行通俗性讲解。 总的来说，PCB焊接空洞产生的根本原因有三大方面：一是“热”引起的；二是材料与产品“缺陷”引起的；三是管理或应用（环境）不当引起的。正是由于材料与产品“缺陷”、管理与应用不当等原因，通过外界（客观）条件而显露出来。我们可以通过材料（原辅材料）、PCB制造过程和PCB应用（主要是指焊接）过程等几个方面进行综合评述。 1 在PCB介质层内部和界（表）面上形成“空洞” ⑴CCL材料（又称PCB基材）形成的。 ①CCL基材树脂分解温度低形成的空洞。常规的FR-4基材分解温度（Td）低，约为320℃左右。 ★因为它采用双氰胺作固化剂的。同时，如果混合不均匀，双氰胺还容易结晶出来。在强“热（特别是在无铅焊接）”条件下，由于温度高、时间长强化了“热”分解、分离等而引起分层、起泡、白点、微空洞等，但发生在基材内部或界（表）面处。 ★应采用高Td的FR-4材料（酚醛树脂为固化剂）。可提高Td温度（≥350℃）和耐热性能。 ②凹缩形成的空洞。存在于孔壁内，特别是孔内镀铜的内侧与介质层之间，具有“半圆形”状态。尤其是背板、高多层板中常见到。这是由于CCL基材层压参数或固化时间不足引起的。 ⑵阻焊剂引起的。阻焊油墨含有“溶剂”便于网印，网印后必须完全烘干除去。如果没有采用“特定波长”的红外干燥，会形成表面干燥而内部（特别是底部）“残留”溶剂，遇热时形成“微泡”等，严重时会起皱、脱落等。 ⑶表面污染引起的空洞。表面清洗不干净，如水迹、手指纹、粉尘等在“热”作用下，都会引起“微空洞”或“微斑点”等。 ⑷钻孔形成的空洞。由于钻孔的粗糙度过大或撕裂，在湿法处理过程中，溶液入侵或堆聚，在热作用下，引起空洞或断裂。发生在孔壁上。随着孔径的缩小，钻孔的粗糙度将由 50μm→30μm→20μm。 图1 无铅焊接的温度更高，降低焊环宽度          图2 由双氰胺固化的在制板常规 会引起更大的翘曲（起）。                    通孔处的树脂-玻璃纤维界面也会发生分层。 2 在焊盘与焊料界面上形成的空洞 在PCB焊盘与焊接焊料界面上形成的空洞是最复杂的，既是形成空洞最多的，又是评论与争论最多的。因为PCB焊盘上既有各种各样的某一表面涂（镀）覆层，又有网印焊料，同时，在焊接过程中熔化的焊料还会与涂（镀）覆层、或底铜作用形成IMC化合物。这些情况都能形成微空洞。 ⑴在OSP的焊盘界面上的微空洞（如图3所示）。其特点是在铜焊盘表面上形成。由于采用“老式（锡-铅焊料焊接用）”的OSP。其分解温度低，在无铅焊料焊接下，由于焊接温度高、高温时间停留长和表面张力大。因此，在焊盘表面粗糙处的残留微量OSP分解形成微空洞，或在选择性镀镍/金（即混合表面涂覆）的盘边形成的微缝或微空洞。 应该采用高温型的OSP，即其分解温度≥350℃的OSP（如烷基苯基咪唑类）。 图3  无铅焊料与焊盘界面处的微空洞 ⑵在化学镀镍/浸金上形成微空洞。其特点是在镍层表面上形成微空洞。 由于化学镀镍中镀液的稳定性问题，导致镀镍层的结构（系指磷含量和结晶结构与粗糙度等）不稳定性（特别是开始应用和最后的镀镍阶段），从而容易引起脆裂（主要是应力大）、针孔等而发黑现象等，继而影响保存、焊接（形成微空洞），甚至不可焊性。 解决办法：调整化学镀镍溶液，或者浸涂一次OSP（即在化学镍/金上面再浸OSP），便可解决问题。 ⑶焊盘表面清洁度的影响。其特点是在焊接层的界（表）面上。 由于焊盘表面清洁度差，有异物、杂质，特别是有机物（或络合物）的污染，容易在焊料与焊盘界（表）面上形成黑斑与微空洞。 在焊盘表面要很清洁（根据情况，有时要用酸、碱性清洗，最后还要用DI水清洁），甚至包括网印焊膏的前处理。 ⑷焊盘底铜表面粗糙度的控制。其特点是在底铜表面上。 由于焊盘铜表面粗糙度太大（如≥3μm或更大），凹陷处既容易吸附杂质等，又难于清洁，这些埋藏杂质在受热时，就容易形成微空洞或黑斑等。 现在焊盘铜表面的粗糙度控制在≤1μm，采用新的微蚀刻溶液（深圳板明公司已经开发出来并推广应用）。 3 在焊接焊料中形成的空洞 焊料起着“承上启下”的作用，上连接着元件引脚，下粘着焊盘，质量是极为重要的。在焊盘（或涂、镀覆层）与元件引脚之间形成空洞。其特点是焊料层中有空洞。 ⑴网印的或点滴的焊膏，没有烘干就进行高温焊接，造成锡珠散射而缺“膏”，形成空洞，甚至虚焊。应该先烘干，最好是采用真空干燥。 产生的原因有：（一）网印的或点滴焊膏，没有烘干就进行高温焊接，造成锡珠散射而缺“膏”，形成空洞，甚至虚焊；（二）焊接前受湿大，焊接时“水气”造成空洞，特别是在没有湿度控制的南方地区房间内放置和操作。 ⑵网印或点滴的焊膏太薄，在焊料中局部形成不可焊的IMC层过多（如Cu3Sn2多于Cu6Sn5）而形成空洞或局部焊接或“半焊接”。 ⑶焊接次数过多，造成铜熔入焊料中过多，形成Cu3Sn2过去厚，在焊料中形成不可焊的IMC层过多（如Cu3Sn2多于Cu6Sn5）而形成空洞或局部焊接。 ⑷金镀层过厚（如≥0.15μm），焊接时由于金熔入焊料中，并形成IMC化合物（如Au3Sn等）会产生脆裂，从而形成空洞或猎缝等。 对于焊接用的化学镀镍/浸金的金层厚度是以能够保护底部镍层不氧化就可以了。并不是越厚越好，一般的金厚度为0.05μm就足够了。 ⑸焊接温度的控制方面。由于有铅焊接温度低（焊料熔点为183℃），但一般仍然高出熔点30℃以上，而且表面张力也小，焊接时温度差异±5℃都能很好焊接。但在无铅焊接时，焊料熔点高（≥217℃），表面张力大，焊接温度一般比熔点高不足30℃，在PCB板各个部位存在温差，形成局部不熔化，或熔化并氧化等形成空洞和“球窝”。 大量试验和检测表明，无铅焊点比锡-铅焊料更容易形成空洞，而SAC合金焊料形成的空洞%比要比其它无铅合金大。 4 在引脚（或BGA焊球）与焊料界面上形成的空洞 在引脚（或BGA焊球）与焊料界面上形成的空洞，大多是引脚表面氧化、污染和涂（镀）层等引起的。 ⑴引脚表面涂（镀）层引起的空洞。如引脚涂（镀）的是低熔点锡-铅（或铋）层，而焊料是无铅SAC焊料，由于熔点的差别（收缩不同），则必然形成空洞、裂缝或“缩孔”，如图4所示。 ⑵ ⑶ ⑷ 图4， ⑵氧化和污染。引脚局部氧化或污染会引起焊接不良而形成（焊料收缩）空洞等。 ⑶低质量原辅材料将会导致各种各样的缺陷。如易于吸潮、变形、分裂、空洞等。 总之，形成空洞等缺陷的原因是很多的，有些因素是相互交叉的、甚至是很难判断的，如焊接中形成的空洞是在焊盘与焊料的界面、焊料中?还是在焊料与元件引脚界面处?用肉眼有时是观察不了的，必须借助检测仪器，如剖切显微观察、SEM，甚至采用X-射线分析技术（如IMC等）。虽然形成缺陷的因素很多，但是要解决问题必须找出主要因素，才能消除缺陷。 附：化学镀镍浸金（ENIG）层常遇的可焊问题（参见2006，4，P，40） ⑴前处理对可焊性的影响 ①微蚀过程的影响。微蚀刻的目的是除去有机物、氧化层和控制微蚀程度。因此微蚀刻效果对化学镀镍层有直接的影响，从而间接影响浸金质量和最后的可焊性。微蚀刻溶液的微蚀速度会随着微蚀刻溶液中的金属离子和杂质的含量的增加而下降。要严格控制微蚀刻液的浓度、温度和停留时间，可采用电化学电位来控制溶液的寿命。避免微蚀后表面氧化，影响钯的活化效果。 ②活（催）化的影响。在铜、钼、钨等上化学镀镍采用钯（或钌）为活（催）化剂。而在Al上化学镀镍采用Zn进行活（催）化。活（催）化不足会产生漏镀现象，引起微孔而带来氧化、黑点。因此，形成均匀活（催）化层是十分重要的。 ⑵化学镀镍过程对可焊性的影响 PCB的焊接和可靠性是通过镍表面来实现的，因此要求镀镍应具有结晶细致（有时是非晶结构）、表面平整、厚度均匀为特点。 ①镍磷层中磷含量的影响。磷含量是由PH值、还原剂、稳定剂和溶液寿命（MTO）来决定的。磷含量小于7%时，形成微晶结构，抗腐蚀能力差；当磷含量大于12%，抗腐蚀能力增加，而可焊性下降；一般磷含量控制在7—9%之间。为了控制磷含量，溶液组成要随着不同MTO加以调整。 ②PH值和温度的影响。一般控制PH=5.0∽5.3之间。过高的PH会降低镀镍层中磷含量，使镀层抗腐蚀能力下降，焊接性能变差；PH值太低，磷含量过高。PH值和温度还会影响镍磷层的晶粒大小和粗糙度，8而影响焊接可靠性。 ③镍磷层结晶结构的影响。沉积的结晶颗粒越小，镀层致密性越好，可提高抗腐蚀性能。在化学镀金中，镍磷层的结晶颗粒大小和形状是影响化学镀镍磷层耐腐蚀程度的重要因素。化学镀镍磷层的不均匀性、任何缺陷和不规则表面都可能引起局部的过腐蚀现象，增加化学镀镍磷层黑点或黑盘的可能性。 ④化学镀镍沉积速度的影响。通过调节PH值和温度，降低沉积速度，提高镍磷层的致蜜性，避免晶粒边界之间产生缝隙，以减少浸金时镍磷层引起过腐蚀的可能性，化学镀镍的沉积速度为10μm/h∽μm/h之间。 ⑤化学镀镍溶液中稳定剂的影响。化学镀镍溶液中加入稳定剂的作用是维持镀液的稳定，抑制镍的自发还原析出。同时，有利于形成均匀的镀层，提高晶粒边界覆盖率。稳定剂少时，化学镀镍溶液不稳定而易分解，析出金属镍。含有铅离子和有机物的稳定剂能够沉积入化学镀镍层中，容易引起黑斑或黑盘。 由于化学镀镍中镀液的稳定性问题，导致镀镍层的结构（系指磷含量和结晶结构与粗糙度等）不稳定性（特别是开始应用和最后的镀捏阶段），从而容易引起脆裂（主要是应力大）、针孔等而发黑现象等，继而影响保存和可焊性。 解决办法：浸涂一次OSP，便可解决问题。 ⑥化学镀镍液使用周期的影响。在化学镀镍磷层的同时，还会在化学镀镍溶液中产生反应副产物亚磷酸根，从而引起化学镀镍溶液不断“老化”，污染溶液。同时，还引起镀镍层中的磷含量不断增加。加上有机物不断积累，沉积速度下降，使镀层中有机物含量增加，可焊性变差。一般是在金属追加量达到4∽5MTO时，应及时更换。 ⑦化学镀镍溶液的补加量和负载量的影响。 在化学镀镍溶液中的添加量或消耗量超过常规水平10%时，会引起镀液不稳定性，影响最后可焊性。因此，要采用自动添加装置或少量多次添加方法，使镀液的组成保持在正常的范围之内。 化学镀镍液在操作温度下长期空转，会引起添加剂部分分解，由于没有添加，镀镍液组成不平衡，也会产生一系列问题、如黑斑或黑盘，边界效应等。另外，负载量太小，消耗少，没有添加，也使镀液不稳定，镀层不均匀，同理会在镀层上产生各种问题。 ⑧搅拌对镀液的影响。搅拌可减少化学镀镍表面产生的气泡，提高稳定剂扩散到产品表面的速率，但搅拌速率应与稳定剂相匹配。 ⑨产品从镀液中取出停留时间的影响。取出后停留时，残留的镀液仍然继续反应，而且温度和PH值为不可控，停留时间越长，影响可焊性越大。同时，镀镍表面遇到空气会被氧化形成极薄的氧化层，既影响与浸金的结合力，又影响可讲理性能。 ⑶设备的影响 化学镀镍浸金是自催化的。因此，在镀镍液中会形成金属镍粒子，在“盲区”（如槽边界、管道等）会形成镀层，要仔细世纪减少这些“盲区”并通过泸器除去金属镍粒（核）子（参见1999，9，P，28）。 ⑷浸金对可焊性的影响 浸金是一种置换的反应，反应持续到金完全覆盖镍层表面为止。金层阻止化学镍磷层被氧化。同时，在焊接时，金是被熔解而进入焊料中，而露出新鲜的镍表面，以保证镍磷层表面的可焊性， 并提高焊料的湿润性，当在焊料中熔入金含量重量比超过3%时，会引起焊点发脆，影响焊接可靠性。因此，镀金层厚度要加以控制在0.02μm∽0.15μm之间，实际上大多数的PCB生产厂商都控制在0.01μm∽0.05μm之间。 值得注意的是：在浸金过程中镀金溶液对化学镀镍磷层的腐蚀也是引起可焊性差的一个重要原因。 1 浸金浓度和温度的影响。操作温度和金离子浓度是控制金沉积速率和镀层均匀性的主 要影响因素。温度过高，镀金层不均匀，并会过腐蚀镍磷层，造成局部镍层磷含量扁高，使镍-铜界面处富磷状态，造成结合力下降，反之，温度过低，溶液的置换反应便会停止。 金盐含量低，会降低反应速率，形成不均匀镀层，增加了对镍层的腐蚀。理论上讲，镍与 金的电位差很大镍可置换出溶液中的金。当镍层表面置换上金后，由于金层的多孔性，其空隙下的镍仍然可进行置换反应，但反应速度很慢直至金完全覆盖为止，实际表明，反应速度慢，使反应持续进行，随着时间的延长，反而增加了对镍磷层的腐蚀的机率。 ②浸金沉积速度的影响。浸金速率是由温度、PH值和金浓度来决定的。浸金的速率高，金层疏松，致密性差，金层难于起到保护镍层的作用。浸金速率低，沉积时间过长，会增加镍磷层的过腐蚀的机率。一般沉金速度要控制在0.35μm/h∽0.45μm/h为宜。 ③PH值和厚度的影响。适当提高PH值，可有效消除黑斑或黑盘的产生，或最小化。PH值越低，对镍磷层腐蚀越快，黑盘产生越容易。而对金沉积厚度不能太厚也不能太薄，太薄时，不能完全覆盖镍磷表面，太厚时，不仅成本太高，而且还会影响焊接点可靠性。理论上要求沉金厚度控制在0.05μm∽0.15μm之间，实际上大多数控制在0.02μm∽0.05μm之间。 ④浸金后水洗的影响。浸金之后，任何残留物（有机的和无机的）残留在金表面都会影响最后的可焊性。所以，镀金后要严格清洁，最好采用热的去离子水清洁表面、吹干。甚至要采用弱硫酸溶液清洗、烘干，可达到更好的效果。 ⑸焊料对化学镀镍磷层可焊性的影响 目前，无铅焊料普遍采用Sn-Ag-Cu体系，可得到良好的可焊性。但是，经过高温和长时间热循环会出现焊接不牢问题。这是由于在焊接时，产生Ni3Sn4化合物，并在镍磷层上最初形成平整的针状形态。这层化合物能够降低焊料与镍磷层之间的反应，成为一种很好的扩散的阻挡层。但是，熔化的锡很容易通过Ni3Sn4的空隙达到Ni3Sn4与镍磷层的接触面，并形成Ni3SnP，引起Ni3Sn4层的破裂，从而造成可焊性差。 当比较Sn-3.5Ag-Cu与Sn-3.0Ag-Cu两种焊料的最后可焊性结果时,研究发现，可焊性差的焊点只发生在Sn-3.5Ag-Cu的焊点处，由于Ni3Sn4化合物发生破裂，而且Ni3SnP层变厚。所以，Sn-3.0Ag-Cu无铅焊料明显优于Sn-3.5Ag-Cu无铅焊料。 同时，在焊接时，由于焊料与镍磷层的镍形成Ni3Sn4化合物，造成焊盘与焊料焊接时形成的结合界面附近变成富磷层，这层富磷层的结合强度较低，从而影响焊接点的结合强度。 以上表明，焊料组成和焊接过程都会影响焊接可靠性。 ⑹焊剂对焊接可靠性的影响 无铅合金焊料的可焊性较差的重要原因是由于形成SnO难以还原、Sn含量多和表面张力较大等造成的。可以通过加入焊剂来改善焊接性能。一般来说，加入卤氢酸胺盐之类的强活性（RA）物质是有效的，但是，在再流焊后残留这些物质时，则会引起腐蚀或迁移等带来可靠性问题。而采用中活性（RMA）或非活性焊剂等都达不到目的。 现在开发出一种失活性焊剂。这种焊剂在再流焊的焊接时，起到与活性焊剂（RA，rosin activated grade）一样的可焊性作用，可有效地使SnO还原，但在再流的焊接焊后，便失去活性，达到像RMA（rosin mildly activated grade）一样的焊接可靠性。这种失活性焊剂达到兼顾可焊性和可靠性的双重作用。 失活性反应机理： CH2=CH-R+XH----→CH3-CHX-R 其中，X-为卤素。在再流焊过程中，所形成的产物是没有活性的。所以，采用失活性焊剂既达到像活性焊剂一样提高可焊性要求，又达到像中活性焊剂一样的焊接可靠性目的。