PCB熔锡不良现象背后的失效机理
一、样品信息
#1为失效样品，取#1样品中的RG11；#2为非同周期PCB板，取#2样品中的C37。
样品1
样品2
二、分析过程
1、外观分析
说明：#1样品RG11失效位置呈现无Sn润湿状态或退润湿状态，PAD面平整，有明显助焊剂残留。器件焊端均有明显的Sn润湿。
2、#1样 SEM分析
对#1失效点进行未润湿点的表征分析，下图为RG11典型PAD的SEM分析：
说明：#1样品RG11未润湿PAD，表面平整，且有明显的助焊剂残留。这说明在回流初期，Sn与这个面发生过作用。但由于润湿不良，导致焊锡无附着或退润湿异常。
3、#1样 EDS分析
对RG11失效PAD进行EDS成分分析如下：
说明： 对失效PAD进行成分分析，未发现异常元素， C元素约占30%（助焊剂主要成分之一）。
4、#1样 切片分析
取#1样品中的RG11进行切片分析：
a. 断面金相分析
b. 断面SEM分析
c. 断面EDS分析
d. IMC厚度测量
说明：
-
金相分析：#1样品RG11进行切片金相分析，不润湿点的焊锡主要收缩到器件端子的位置（图示），PCB PAD上不润湿。润湿良好的焊点延伸出来的PAD上有明显焊锡。
-
SEM&EDS断面分析：
#1样品RG11未润湿PAD表层呈现合金化状态（IMC层裸露），以Cu、Sn组成，整体比例约40:60，说明合金层（IMC）构成为Cu6Sn5 。
-
#1样品RG11未润湿PAD的IMC厚度最大3.23μm，IMC厚度最小1.05μm。
5、#2样 镀层厚度分析
针对未回流的PCB测试下记标识点位PAD：
|
序号 |
Sn厚度 |
Cu厚度 |
|
1 |
9.217 |
16.23 |
|
2 |
5.704 |
15.20 |
|
3 |
6.748 |
13.63 |
|
4 |
7.321 |
19.13 |
|
5 |
1.283 |
12.66 |
|
6 |
1.146 |
12.33 |
|
7 |
1.488 |
12.26 |
|
8 |
1.055 |
12.98 |
注：厚度单位为μm。
说明：通过对#2的镀层分析可见，Cu+Sn（喷锡工艺），Sn的厚度Min1.055μm，Max 9.217μm，平均4.245μm。
6、#2样 断面分析
取#2样品C37对PAD位置进行切片分析：
a. 断面SEM分析
b. 断面EDS分析
说明：对#2样品C37 PAD位置进行断面SEM分析， PAD表层呈现合金化状态（部分位置IMC层裸露），IMC厚度最大1.23μm，IMC厚度最小0.93μm，IMC层的Cu、Sn比例约40:60，说明IMC构成为Cu6Sn5。
三、分析结果
1、原因分析
结合上述分析来看，对PCB PAD不润湿的失效分析如下：
1.PCB焊盘的表面处理方式为热风整平（喷锡）；
2.失效焊点PAD上无明显Sn（锡膏）附着，未发现异常元素， C元素约占30%（助焊剂主要成分之一）；
3.断面分析表明未润湿位置具有典型特征：表面合金化，即IMC层裸露。通过元素分析，IMC层的Cu、Sn比例约40:60，说明IMC构成为Cu6Sn5。
4.PCB的镀层分析Sn的厚度Min1.055μm，Max9.217μm，平均4.245μm。#2样品C37对PAD位置进行断面SEM分析， PAD表层呈现合金化状态。
2、失效机理解析
PCB表面Sn镀层厚度不均匀，导致局部位置焊盘表面的镀层合金化，即IMC层（Cu6Sn5）裸露。由于IMC含有大量的Cu，其熔点远高于锡焊料，从而造成焊盘表面可焊性降低，回流焊接时易发生焊盘不润湿，焊锡爬至器件焊端的现象。
典型失效图示：
注：锡厚度不均匀导致的镀层合金化是热风整平（喷锡）工艺PCB常见的失效模式。
