接孔孔铜缺失的失效机理简析

srilri2

摘要：在波峰焊工艺中，PCB板的插件孔孔铜与流动的锡料接触，铜与锡料之间发生相互扩散，且以铜向锡中溶解、扩散为主，在生产中将这种现象称为浸析现象或“溶蚀”现象。本文从波峰焊接PTH孔孔铜缺失的失效现象入手，探究了波峰焊过程中孔铜缺失的失效机理，供大家交流讨论。

关键词：波峰焊、PCB、孔铜、浸析现象

前言

插件孔是实现PCB不同层线路互连的主要桥梁，因而其孔内铜层的完整性成为PCB备受关注的热点之一。一直以来，孔无铜的失效案例屡见不鲜，严重影响PCB的性能和可靠性。在焊接过程出现异常时，孔铜被锡溶蚀（浸析现象）是导致孔无铜的常见失效原因之一，目前有关此类失效案例的分析文章尚少，本文结合一例波峰焊后锡溶铜导致的孔无铜失效案例，对波峰焊后焊接面孔铜缺失的机理进行简析。

8 ~! ]7 O" N7 n, m/ {

1 波峰焊接简介

波峰焊是指将熔化的软钎焊料，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，亦可通过向焊料池注入氮气来形成，使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。

   波峰焊的主要工艺流程：将元件插入相应的元件孔中→预涂助焊剂→预烘（温度90-100℃，长度 1~1.2m）→波峰焊（220-240℃）→切除多余插件脚→检查。

图1 波峰焊示意图

2 失效案例分析

( \, P+ }; ?# t3 b; Q

2.1 案例背景

/ P2 i5 X  O  A

某PCB板在完成波峰焊后外观检查发现SS面（即波峰焊接起始面）整排1.5mm插件孔均出现缺失的现象，其余位置外观上锡良好，未发现孔环缺失现象，不良率为0.67%，其表面处理为有铅喷锡（HASL）。

   不良板孔环缺失位置确认如图2所示：

+ v% o" O) k% c" B  }3 \6 G

通过立体显微镜观察PCB板不良位置的孔环情况，发现不良孔孔环位置无完整的铜层，部分位置已裸露出基材。

! q2 e0 T* }) z

通过查找相关生产信息可知，该PCB板的生产流程包括化学沉铜、负片电镀（最小孔壁铜厚要求为20μm）、磨板、酸性蚀刻、有铅喷锡等。

2.2  失效模式分析及定位

& v8 U. M& A+ \* z$ K

根据该板的生产流程可知，可能导致孔环缺失的原因主要有：酸性蚀刻的药水对铜的咬蚀，有铅喷锡对铜的溶蚀和波峰焊接锡对铜的溶蚀等。现对不良板的孔环缺失位置和板上其它未进行波峰焊接的PTH孔进行垂直切片分析对比，如图3所示：

- ^- U2 [* f- f0 |5 p4 r. C% x

   从图3可以看出，对于表面处理为有铅喷锡的PCB板，未进行波峰焊接的PTH孔的孔铜仅被喷锡过程咬掉4.4μm的厚度。而波峰焊后的PTH孔在波峰焊接起始面有孔环缺失的不良现象（如孔环缺失位置-2所示），焊接终止面孔环的孔铜完整，因而可以排除不良孔的孔铜缺失是由有铅喷锡对铜的溶蚀导致的。另外，在不良孔的孔口位置有部分铜残留，残留的铜层厚度为14.9μm，阻焊下的铜层完好无缺，厚度为46.6μm，说明在阻焊工序之前孔环位置孔环铜厚满足要求，可以排除不良孔的孔铜缺失是由酸性蚀刻过程中被药水咬蚀导致。因此，推断不良孔的孔环铜层可能是在后续进行波峰焊接时出现异常，导致铜被锡溶蚀的失效。

& `/ d9 ~5 m8 Z) m! n

2.3  失效模式确认

. s$ R  b* |8 N+ J' h; q

为了进一步验证不良孔孔铜缺失的真因，现对失效孔环位置进行垂直切片分析，确认其失效模式，如图4所示：

: }2 l3 @1 Z1 A+ x- a

不良孔的孔铜在波峰焊之后，沿着焊接起始面到终止面，孔铜由薄到厚渐变，孔环、孔口和内侧孔壁铜均被逐步溶蚀，且焊接起始面的孔环和孔口铜层优先被咬蚀干净，而孔内远离波峰面的孔环和孔壁铜则相对完整，被咬蚀掉的厚度较轻微。

. d8 U6 o* s, i$ I5 _

( G9 f5 |9 v: H

9 l) U8 n( m0 ~: ?3 Z

2.4  孔铜的浸析机理简析

在焊接过程中，焊料处于熔融状态，浸入熔融焊料的PCB板的铜会向锡中扩散和溶解，在生产中将这种现象称为浸析现象或“溶蚀”现象。发生浸析现象的本质，是由于金属铜与液态焊料的金属锡之间存在着良好的亲和力。

" }5 i  v0 o( g# x  k" |$ t4 p

波峰焊接所采用的焊料分为有铅和无铅焊料，在各种焊料中Sn都是主要成分，铜在锡的溶解率取决于许多因素：焊接时的温度、焊料成分，以及焊接时间和焊料的流动速度等。在生产过程中，这些参数异常可能会导致孔铜被锡溶蚀的不良现象。

     3  改善建议

& R8 B6 i2 C" _, g" C2 e7 ]

% q- o; z: q* ?7 J0 s

铜在锡的溶解率取决于焊接时的温度、焊料成分，以及焊接时间和焊料的流动速度等因素。因此，可以通过以下方法控制铜的溶蚀程度：

（1）正确设置波峰焊的温度曲线，并通过定期检测实时温度曲线来调节温度曲线；

（2）适当缩短焊接时间，避免PCB板的铜长时间接触锡料；

（3）定期清理锡渣，加强设备的日常维护，让设备可以正常工作，防止出现卡板、波峰不均等现象。

- {& l/ h* ^5 m; l& }1 x) T  d6 B

& T) N( e. D; w' V' G

      4  结论

; O6 \$ W, I6 K, Q

在波峰焊中，一些生产异常会导致PCB板的插件孔浸入锡料的时间过久，孔铜会被逐步浸析溶解，溶解在锡料的Cu随着时间的延长会越来越多，会导致锡料的黏度增加以及锡料熔点上升等问题。

        在实际生产中，应规范操作，严格管控焊接温度和焊接时间等工艺参数，提升人员的操作技能等，防止PCB板在生产过程中出现孔铜溶蚀的失效现象。

2 \# Q( f* \5 r* U

silenced

，PCB板的插件孔孔铜与流动的锡料接触，铜与锡料之间发生相互扩散，且以铜向锡中溶解、扩散为主