PWBA 焊点锡洞的成因与改善

PWBA焊点锡洞的成因与改善
【摘要】焊点锡洞是PWBA组装过程中的主要缺陷之一，大面积锡洞的存在会严重影响产品的使用性能及可靠性。

本文以三个比较典型的实际案例为分析对象，采用金相切片分析技术，分析了锡洞的形成原因和形成机理。

分析结果表明:PWB PTH (Plated Through Hole) 破孔是导致焊点锡洞形成的直接原因，而破孔则归因于PWB钻孔质量差、化学铜不良以及抗蚀刻金属阻剂保护不良。

同时，本文亦提出了相应的改善对策，如改善钻孔质量、优化化学铜工艺等，可有效降低后续生产中锡洞的产生机率，提高产品的使用寿命。

【关键词】PTH、锡洞、破孔、钻孔、化学铜、金属阻剂
■作者:刘燕芳、潘启智 中达电子(江苏)有限公司物性失效分析实验室
1. 引言
波峰焊接可实现PWB与电子元件之间的电气连
接，是目前PWBA的主要组装工艺之一，具有省时、省能、对PWB以及元件伤害小等优点。

然而在实际生产作业中，尤其是步入无铅时代后，不可避免地会出现焊接不良相关问题，如焊点剥离[1]、漏焊、虚焊、锡洞、锡珠以及锡桥等，从而影响产品的可靠性或整机功能。

其中焊点锡洞是PWBA组装制程中的主要缺陷之ㄧ，大面积锡洞的存在会严重影响产品的使用性能及可靠性。

焊点锡洞的形成原因有很多，如PTH破孔、PTH 孔壁氧化、元器件的可焊性不良、焊接温度曲线设计不良以及助焊剂活性不足等。

本文以比较典型的且实际发生机率相对较高的三个锡洞案例为分析对象，探讨锡洞的形成原因及机理，提出解决问题的改善方法，防患于未然，对实际生产具有积极的指导意义。

2. 分析內容
本文研究三个锡洞案例，编号分别为Void1、Void2及Void3。

先对锡洞位置进行外观观察，然后再对其进行金相切片分析。

2.1外观观察
先用实体显微镜对分析位置进行外观观察，观察结果如图1~图3所示，插件引脚经波焊炉后，焊点表面均存在大小不等的锡洞。

图1 Void1外观图片
图2 Void2外观图片
图3 Void3外观图片
2.2金相切片分析
使用精密切割机分别切下三个分析样品，分别用丙烯酸树脂镶埋，然后在研磨抛光机上研磨至焊点内部空洞位置，随后对样品进行自动抛光，最后用金相显微镜观察焊点内部微观结构。

金相切片结果如图4~图6所示。

由图可知，三个焊点内部均存在空洞，且空洞处PTH均有破孔现象，如图中紅色箭头所示。

破孔位置容易吸入一些水分及化学物质等杂质，在后续波峰焊接过程中，高温会使水分或化学物质迅速气化蒸发，形成较大的蒸气压将液态焊锡吹开，从而形成锡洞，影响焊点的焊接强度[2]。

a.25X
b.500X 圖4 Void1金相图片
a.25X
b.500X
圖5 Void2金相图片
a.25X
b.500X
圖6 Void3金相图片
3. 综合讨论
通常钻针切削表面的切削前缘出现破口是导致孔壁粗糙的主要原因，即针尖上两个第一面的切削前
缘出现崩破导致无法顺利切削玻璃纤维束，亦或针尖
由2.2小节可知，Void1、Void2以及Void3对应
的PTH均有破孔现象，破孔导致锡洞的产生。

事实上，引起PTH破孔的原因有很多，一般与PWB制程工艺控制
不当有关，如钻孔不良、孔壁上的残渣[3]
、化学镀铜
不良、电镀铜不良以及电镀的抗蚀层覆盖不良[4]
等。

下面将分别讨论研究Void1、Void2以及Void3的形成机理与改善，亦即对每个案例中PTH破孔的形成机理作详细研究，并提出相关改善方法。

3.1 Void1
的形成机理与改善
由图4可知，
Void1对应的PTH 破孔处孔壁粗糙度较大，局部达53.4 um，大于30.5um max 的规格要求。

通孔工序大致为: 钻孔 除胶渣 化学铜 电镀一铜 电镀二铜，即使化学铜工艺正常，孔壁粗糙度过大亦会导致后续工艺中化学铜覆盖不连续或不完整，无化学铜的区域，一铜和二铜就无法电镀上去从而形成破孔，焊接时出现空洞。

孔壁粗糙度过大的原因为钻孔不良，钻孔示意图如图7(a)所示。

在钻孔过程中，进刀量变化过大、进刀速率过快、盖板材料选用不适当、固定钻头所用真空度不足、退刀速率异常、尖针之切削前缘出现破
口或损伤以及主轴之偏转太大[5]
均会导致孔壁粗糙度过大。

a.钻孔示意图
b. 钻针切削表面 图7 钻孔示意图及钻针切削表面
[2]
53.4um
36.5um
铜 树脂
第一面第二面第一面
第二面
刃角
刃角
外侧两刃角缺损磨圆导致其失去原来直角修整孔壁的功能[6]。

因此，为了改善钻孔质量以减小孔壁粗糙度，PWB加工厂需建立严格且规范的钻针管理制度，每种钻针需规定好其钻孔数目以及重磨次数。

同时，每次使用前要先检查钻针的切削表面情况和使用记录，若发现切削面过度破损，则需根据钻针的实际使用记录选择重磨钻针或更换新钻针，当重磨次数已经达到规定次数时则需立即更换新的钻针。

在钻孔前保证钻针质量可改善钻孔质量，可有效预防因孔壁粗糙问题而造成的孔壁化学铜不完整，保证后续的一铜和二铜能正常电镀到孔壁上去，可有效避免因PTH破孔而引起的焊点锡洞问题。

3.2 Void2的形成机理与改善
由图5可知，Void2对应的PTH破孔呈现“凸弧”状，电镀铜层尽量想把不导电的孔壁位置镀满，铜层断点的边缘都有一种想要向外延伸的欲望[6]。

此为PTH孔壁上的化学铜覆盖不良导致，孔壁没有化学铜的区域，基本无电气导通作用，在后续电镀过程中，一铜和二铜就无法电镀上去，从而形成破孔。

实际上，影响化学铜覆盖不良的因素有很多，其中大部分与其制程工艺相关，化学铜制程如图8[2]所示。

在整孔过程中，若清洁整孔剂发生老化，会导致孔壁清洁不足以及正电性不良，使后续呈负电性的活化剂钯胶体吸附不良，无钯胶体的区域就不会有化学铜沉积覆盖。

同时，若活化槽中水量过多会导致钯胶体中的Pd2+发生水解，以致不能还原成后制程中化学铜反应所需要的催化剂单质钯[7]。

另外，速化剂浓度、化学铜液Cu2+浓度以及甲醛浓度过低等均会导致局部孔壁无化学铜覆盖。

而此案例中的化学铜不良是由化学铜槽中Cu2+浓度偏低所引起，PWB厂PTH生产线当时药液Cu2+浓度不在理想范围内，经确认是因为操作人员工作疏忽未定时往化学铜槽内手动添加一定量的新药液以维持Cu2+浓度，当Cu2+浓度偏低时，部分孔壁上不会发生Cu的析出反应，亦即不会有化学铜覆盖。

图8 化学铜制程工艺
确认PTH破孔的形成机理后，采取合理的改善方法具有重要意义。

优化PTH化学铜液添加工艺以保证Cu2+浓度在理想范围内是有效的解决途径，即由原来的人员手动添加改为设备添加系统自动添加。

自动添加系统是根据槽内Cu2+含量变化自动添加化学铜液，当化学铜槽中Cu2+浓度低至某一设定值时，系统会自动添加补给一定的化学铜液，故可预防因操作人员疏忽而导致化学铜槽内Cu2+浓度不足的情况。

采取该措施后，此案例所涉及的机种没有再发生过由于化学铜覆盖不良引起破孔而导致焊点锡洞的现象。

3.3 Void3的形成机理与改善
如图6所示，Void3对应的PTH破孔呈现下陷缩回式“凹弧”状，此为PWB蚀刻前制程中抗蚀刻金属阻剂保护不良，罩不住蚀刻液导致孔铜被咬断[6]而出现破孔。

外层线路制作工艺如图9所示，孔铜包括一铜和二铜在完好的情况下，当金属阻剂镀锡层保护不良时，会导致原先电镀完好的孔铜在蚀刻时受到蚀刻液的侵蚀而被咬断，造成PTH破孔。

图9 外层线路制作工艺
金属阻剂镀锡层保护不良主要归因于孔内二铜上面未镀上保护层锡或锡层太薄，一般抗蚀刻镀锡层厚度需5~10微米[4]。

因此，确保镀锡层厚度在规格范围内是改善镀锡层保护能力的有效途径。

PWB加工厂在镀锡过程中要管控好相关工艺参数，以确保镀锡层厚度符合规格使其足以能抵抗蚀刻液的攻击，采取该措施后可有效解决因金属阻剂不良引起破孔而产生的锡洞问题。

4. 结束语
本文采用外观观察和金相切片分析方法深入分析了三个比较典型的锡洞案例，分析结果表明: PTH 破孔是导致焊点锡洞形成的原因。

Void1破孔归因于PWB孔壁粗糙度大，Void2破孔归因于化学铜不良，而Void3破孔则归因于抗蚀刻金属阻剂保护不良。

根据锡洞的实际形成机理提出相应的改善措施具有重要的现实意义，在钻孔前保证钻针质量、优化化学铜添加工艺以及确保金属阻剂镀锡层厚度可预防PTH破孔，进而可有效降低后续生产中锡洞的发生机率，提高产品的可靠性和生产效益。

5. 参考文献
[1] 黄卓等, 无铅焊接工艺及失效分析, 电子元件与
材料, 2006, 25: 69-72.
[2] 白蓉生, 电路板术语手册, 台湾电路板协会, 桃 园；2009.
[3] 林金堵等, PCB镀通孔发生“空洞”的根本原因
和
对策, 印制电路信息, 2010, 4: 31-36.
[4] 孙亚林, 孔壁镀层空洞, 印制电路信息, 2001, 7: 45-47.
[5] 白蓉生, 电路板解困手册, 印制电路信息，深圳； 2004.
[6] 白蓉生, 电路板微切片手册，台湾电路板协会， 桃园；2006.
[7] 张志祥, 镀通孔制程中的空洞问题成因与对策 探讨, 印制电路信息, 2001, 9: 40-43.。