PCB焊盘上锡不良失效分析FMEA

1. 案例背景
送检样品为某PCBA板，该PCB板经过SMT后，发现少量焊盘出现上锡不良现象，样品的失效率大概在千分之三左右。该PCB板焊盘表面处理工艺为化学沉锡，该PCB板为双面贴片，出现上锡不良的焊盘均位于第二贴片面。

2. 分析方法简述
2.1 样品外观观察
如图1所示，通过对失效焊盘进行显微放大观察，焊盘存在不上锡现象，焊盘表面未发现明显变色等异常情况。

PCB焊盘上锡不良失效分析

2.2 焊盘表面SEM+EDS分析
如图2~4所示，对NG焊盘、过炉一次焊盘、未过炉焊盘分别进行表面SEM观察和EDS成分分析，未过炉焊盘表面沉锡层成型良好，过炉一次焊盘和失效焊盘表面沉锡层出现重结晶，表面均未发现异常元素；

焊盘表面SEM+EDS分析1

焊盘表面SEM+EDS分析2

焊盘表面SEM+EDS分析3

2.3 焊盘FIB制样剖面分析
如图5所示，利用FIB技术对失效焊盘、过炉一次焊盘及未过炉焊盘制作剖面，对剖面表层进行成分线扫描，发现NG焊盘表层已经出现Cu元素，说明Cu已经扩散至锡层表面；过炉一次焊盘表层在0.3μm左右深度出现Cu元素，说明过炉一次焊盘后，纯锡层厚度约为0.3μm；未过炉焊盘的表层在0.8μm左右深度出现Cu元素，说明未过炉焊盘的纯锡层厚度约为0.8μm。鉴于EDS测试精度较低，误差相对较大，接下来采用AES对焊盘表面成分进行进一步分析。

焊盘FIB制样剖面分析

2.4 焊盘表面AES成分分析
对NG焊盘和过炉一次焊盘的极表面成分进行分析， NG焊盘在0~200nm深度范围内，主要为Sn、O元素，200~350nm深度范围内，为铜锡合金，几乎不存在纯锡层；过炉一次焊盘在0~140nm深度范围内主要为锡层，之后出现元素Cu（金属化合物），如图12~15所示。

焊盘表面AES成分分析

焊盘表面AES成分分析3

焊盘表面AES成分分析2

3. 分析与讨论
由以上分析结果可以导致焊盘不上锡的原因总结如下：
a). NG焊盘表面纯锡层已经完全消耗殆尽（表层氧化，内部则转化为金属间化合物），不能满足良好的可焊性要求；
b). 焊盘经过过炉一次时，高温会促使锡与铜相互扩散，形成合金层，导致纯锡层变薄；
c). NG焊盘在SMT贴装前已经过完一次炉，在过炉过程中，表层锡会被氧化，同时高温加剧锡与铜相互扩散，形成铜锡合金，使铜锡合金层变厚，锡层变薄。当锡层厚度小于0.2μm，焊盘将不能保证良好的可焊性，出现上锡不良失效。

4. 建议
（1）采用氮气作为SMT保护气氛；
（2）增加PCB板沉锡层厚度，保证在过炉一次后，锡层厚度仍能满足可焊性要求；

5. 参考标准
（1）GJB 548B-2005 微电子器件试验方法和程序 方法 5003 微电路的失效分析程序
（2）IPC-J-STD-003B-2007 印刷电路板可焊性测试方法