沉锡PCB贴装后锡面发黑分析及改善

沉锡PCB贴装后锡面发黑原因分析及改善1、前言近年来，随着印制线路板(Printed circuit board,以下简称 PCB)的无铅化的推行，化学沉锡(Immersion Tmatchin)具有成本较低、储存时间长、可焊性良好的优点而备受欢迎。化学沉锡是通过置换反 应在铜表面沉积一层厚度约为 1pm 左右的锡层，其表面颜色为无光 泽的淡白色，但由于其表面结构较为疏松、硬度小，易造成划伤、氧 化、药水残留等缺陷。另外，在回流焊处理后，锡面发黄、发黑等异 色问题不但影响印制板的美观，且对其可焊性、耐腐蚀性能等均有不 同程度的影响，文章通过一例锡面发黑异色导致可焊性不良的案例，从失效分析的角度出发，探究了锡面发黑的原因和机理，为业内同行 提供参考。2、锡面发黑失效分析2.12.1案例背景案例背景沉锡表面处理的印制板在经过回流焊贴装过程后，锡面才由正常 的淡白色，转变为发黑异色现象，所以在 PCB 板的生产制程中难以对 此进行有效的拦截，当产品流到客户端进行 SMT 贴装之后，才出现相 应的品质问题，这会给 PCB 生产厂商造成客诉等不良影响，甚至会造 成大量的经济损失。以下是一例沉锡表面发黑的失效分析案例，该化学沉锡表面处理的 PCB 在出货前锡面颜色为正常的淡白色，但在客户端经过回流后,其焊盘表面出现上锡不良和锡面发黑的现象，如下图1 所示：图 1 异色不良样品与正常样品锡面外观a-1.上锡不良焊盘（50X）；a-2.上锡不良焊盘（100X）；b-1.发黑 PCBA 外观图；b-2.正常沉锡表面颜色。由上图 1 所示，不良 PCBA 锡面发黑与正常沉锡表面所呈现的淡 白色明显不一致，且焊接面有退润湿现象，现通过失效分析手段来排 查可焊性不良的原因，并探究锡面发黑的机理。2.22.2失效原因排查失效原因排查测量位置1234平均要求测量结果1.0801.0611.0511.0221.073SMK29 Si!IDQrmalOla EC MBrSQ-ll 11 CCU4K 29时ri-QiitKLC3ia=-aU3Dld 11:2.2.1锡层厚度确认采用 X-Ray 测厚仪，对沉锡焊盘进行锡厚测量，结果如表 1 所示:表1锡厚数据（单位：Mm）如表 1 所示，沉锡焊盘实测单点锡厚和平均锡厚都满足工艺控制 要求。2.2.2发黑物质成分确认通过扫描电子显微镜和 X 射线能谱仪观察发黑锡面与正常锡面,对比两者的微观形貌和元素分布，结果如图2 所示：兀事CK1 MOK诵16 fj-SK也良耳 MUMSei:M 射liPQ.QCex11LE3tillLLi!S|Lnzi曲 HIMW图2发黑锡面与正常锡面对比a-1.发黑锡面形貌（1000X）；a-2.发黑锡面形貌（5000X）；a-3.发黑锡面元素分析；b-1.正常锡面形貌（1000X）；b-2元累療子自分出CK15.OSA.OK13421CuK41 jf42 的0ASBL51-3?27.77总毎loaooICu41*tiMH少啊y Be却由以上微观形貌和元素分析结果可知，不良 PCBA 锡面无划伤，但形貌非正常锡面所呈现的颗粒状，且含有异常元素S(硫)，说明不良 PCBA 表面可能存在含 S 元素的污染物。2.2.3发黑物质清除方法(1)稀盐酸清洗氧化物的存在会在回流过程中阻挡锡膏在焊盘上的铺展，从而导 致可焊性不良，而氧化物一般可用酸性溶液去除。现使用稀盐酸对发 黑异色的PCBA表面进行清洗，发现稀盐酸并不能将不良焊盘表面的 黑色物质有效去除掉，说明该板表面的黑色物质并非氧化物，具体见a-2a-1L cd5 MOT 2Q OHV?emrn!f 1 Offl?SSECCWP-4a-1-,*-49-X6 V 1ft2miHl.Sh BSEDJMP Vil.2W!1JB4JKApWIt:M5口井比肿口龄比冋894昶BV图7模拟实验验证结果a-1.实验板 1 号味清洗）；a-2.实验板 1号微观形貌（1000X）；a-3.实验板 1 号元素分析；b-1.实验板 2 号（DI 水洗）；b-2.实验板 2 号微观形貌（1000X）；b-3.实验板 2 号元素分析；c-1.实验板 1 号（未清洗）-浸锡结果；c-2.实验板 2 号（DI 水洗）-浸锡结果。由上图7可知，使用沉锡药水浸泡后未清洗的实验板1号，回流后会出现发黑现象，且元素分析发现有S元素存在，可焊性不合格。而经过清洗的实验板2号，在回流后颜色正常，元素分析未发现S元素，且可焊性合格。说明硫脲残留在回流时确实能导致锡面发黑，生成的硫化亚锡（SnS）在焊接时会阻挡焊料的扩散，最终导致可焊性不良。另一方 面，沉锡后的水洗流程能有效地防止硫脲残留致使锡面发黑，严格把 关水洗流程的水质和清洗时间对沉锡板的品质问题有着至关重要的作 用。4、总结(1)锡面发黑的原因是其表面有硫脲残留，硫脲在回流的咼温条件 下会分解成NH2CN和H2S气体，H2S与锡层表面的氧化层(SnO)反应生成黑色的SnS，从而使得锡面发黑；(2)硫化亚锡(SnS)熔点为880弋，在无铅回流的条件下无法溶于 焊料，在焊接过程中它会阻挡焊料在焊盘上的扩散，最终导致可焊性 不良；(3)在沉锡板生产过程中，严格把关沉锡后水洗流程的水质和清洗 时间，能有效地防止出现沉锡发黑的现象。