osp焊盘上锡不良失效分析 -凯发官网入口首页

引言

osp表面处理工艺具有控制简单、成本低廉、表面平整等优点，越来越广泛应用于pcb生产制造中。然而，在实际生产过程中，工艺不良、产品储存或使用不当等都容易导致osp板出现表面变色、膜厚不均匀、焊盘上锡不良、虚焊及焊锡不饱满等问题。

本文以osp焊盘上锡不良为例，分析其失效原因与机理，并提出改善建议。

一、案例背景

osp 焊盘过两次炉温后，波峰焊出现严重的上锡不良。降低炉温后，无可焊性问题。现进行测试分析，查找osp焊盘上锡不良的原因。

二、分析过程

1. 外观检查

利用体视显微镜对上锡不良波峰焊点进行光学检查。多数波峰焊点孔环表面存在明显上锡不良现象，呈现退润湿及不润湿特征；不润湿位置呈现osp膜层颜色，疑似osp膜层未被去除。

图1. ng pcba上锡不良波峰焊点外观检查照片

2. 表面分析

利用场发射扫描电子显微镜对ng pcba波峰焊点润湿不良位置进行形貌观察及成分分析。

润湿不良位置表面平整，表面无明显焊锡残留现象；成分分析显示，润湿不良位置未发现明显异常元素存在；cl元素推测来自未去除osp膜层成分，后续通过其他分析手段进一步确认。

图2. ng pcba波峰焊点润湿不良位置形貌观察及成分分析

3. 剖面分析

将润湿不良位置切片、fib切割后，利用场发射扫描电子显微镜、fib对截面形貌进行观察分析，结果如下。

润湿不良位置1无明显焊锡残留，形貌放大后，局部疑似osp膜层残留；润湿不良位置2 fib切割后，明显发现osp膜层残留现象。

图3. ng pcba波峰焊点润湿不良位置切片、fib切割后截面形貌观察照片

4. osp膜层成分分析

为了表征osp有机膜受热分解程度及对比ng批次pcb光板（命名为样品a）与对比pcb光板（命名为样品b）osp膜层成分是否存在差异，借助ft-ir及xps分析手段分别对ng批次pcb光板、对比pcb光板、二次回流ng批次pcb光板（命名为样品c）osp膜层成分进行分析，结果如下。

4.1 ft-ir分析

如图4所示，红外光谱分析结果显示：

①样品a osp膜红外光谱信息弱，相较于样品b osp膜红外光谱信息弱，表明样品a osp膜厚度可能较薄；

②样品c osp膜红外光谱中出现了新的n-h官能团，表明osp膜经过二次回流可能发生了结构变化。

图4. osp膜层红外谱图

4.2 xps分析

xps分析结果显示：

①三个样品孔环osp膜表面主要测到 c/o/n/cl/cu/si 等元素，样品c表面也测到少量的sn；

②三个样品表面的si主要判定为有机硅、n为有机氮、cl的化学态包含有机氯和氯化铜；其中a和b样品表面的成分比较接近：有机物有芳香环结构（π-π），铜主要为氯化亚铜（cucl）；而样品c表面未测到明显的芳香环结构，且有机物酯类比较明显，铜主要为氢氧化铜【cu(oh)2】和氯化亚铜(cucl)的混合；

③样品c表面测到的sn主要为氧化锡。

图5. xps分析谱图

5. osp膜厚测试

利用fib对样品a、样品b及样品c osp膜层分别进行观察及厚度测量，结果如下：

①样品a与样品b osp膜层形貌无明显差异，但厚度差异明显；

② 样品a与样品c osp膜层形貌存在明显差异，样品c膜层内部弥散分布较多颗粒状物质，而样品a膜层未观察到该现象；样品a、样品c膜层厚度较样品b膜层厚度，明显偏小。

图6. fib切割后osp膜层观察及膜层厚度测量结果

6. 上锡性验证

为了确认二次回流ng批次pcb光板确实存在上锡不良现象及降低炉温后上锡性变正常，对二次回流ng批次pcb光板及降低炉温后二次回流ng批次pcb光板分别进行上锡性验证。

（备注：降低炉温后回流曲线满足标准ipc 7530a-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求。）

二次回流ng批次pcb光板浸锡后，多数通孔孔环表面发现明显润湿不良现象，而降低炉温后二次回流ng批次pcb光板浸锡后，通孔孔环润湿完好。

以上结果表明：当炉温调低到标准ipc 7530a-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求的范围内时，ng批次pcb光板上锡正常，即ng批次pcb光板可焊性满足标准要求；初始炉温曲线峰值温度最高245.3℃，位于标准ipc 7530a-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求的上限。

图7. 降低炉温后的二次回流炉温

图8. 初始炉温下二次回流炉温

图9. 二次回流ng批次pcb光板浸锡后外观照片

图10. 降低炉温后二次回流ng批次pcb光板浸锡后外观照片

7. 锡样成分测试

参考标准jis z3910:2017 钎料分析方法，利用电感耦合等离子体发射光谱仪对锡样进行成分分析，结果如下：

锡样为锡银铜合金。对于波峰焊接锡炉成分，行业一般采用锡铜合金，以避免通孔孔铜被过度咬蚀，建议锡炉采用锡铜合金，但本案件中锡炉成分不是导致osp上锡不良的原因。

三、总结分析

外观检查结果显示：ng pcba多数波峰焊点孔环表面存在明显上锡不良现象，呈现退润湿及不润湿特征；不润湿位置呈现osp膜层颜色，疑似osp膜层未被去除。

表面分析及剖面分析结果显示：润湿不良位置未发现明显异常元素存在；润湿不良位置fib切割后，明显发现osp膜层残留现象。

ng批次pcb光板及二次回流ng批次pcb光板osp膜层成分分析结果显示：①二次回流ng批次pcb光板较ng批次pcb光板，osp膜红外光谱中出现了新的n-h官能团，表明osp膜经过二次回流发生了结构变化；②ng批次pcb光板，osp膜层有机物有芳香环结构（π-π），铜主要为氯化亚铜（cucl），而二次回流ng批次pcb光板osp表面未测到明显的芳香结构，且有机物酯类比较明显，铜主要为氢氧化铜和氯化亚铜的混合。二者充分说明，二次回流后，osp膜层成分发生了变化。

osp膜层观察与厚度测量结果显示：ng批次pcb光板与二次回流ng批次pcb光板，osp膜层形貌存在明显差异，后者膜层内部弥散分布较多颗粒状物质，而前者膜层未观察到该现象。

上锡性验证结果显示：①二次回流ng批次pcb光板浸锡后，多数通孔孔环表面发现明显润湿不良现象，该结果表明，二次回流后osp膜层形貌及成分的变化，确实可以导致上锡不良的发生；②降低炉温后的二次回流ng批次pcb光板（回流曲线满足标准ipc 7530a-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求）浸锡后，通孔孔环润湿完好，说明ng批次pcb光板可焊性满足标准要求；③初始炉温曲线峰值温度最高245.3℃，位于标准ipc 7530a-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求的上限。

对比ng批次pcb光板与对比pcb光板ft-ir、xps及fib分析结果可知：二者膜层成分比较接近：有机物有芳香环结构（π-π），铜主要为氯化亚铜（cucl），但二者膜厚存在明显差异，前者与后者osp膜厚平均值分别为225.9nm、585.5nm，即ng批次pcb光板osp膜厚明显偏薄，故其相较于对比pcb光板，耐热能力偏低。

四、结论与建议

综上所述，二次回流后osp膜上锡不良的原因包括：①相对较高的回流温度；②osp膜相对偏薄，耐热能力相对偏低。

改善建议

1. 适当降低回流峰值温度，避免osp膜层承受较高温度冲击；

2. 适当增加osp膜层厚度，提高其耐热能力。

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