一种典型的PCBA组件焊点失效研究

张翔 汪淑君 张静

摘要：化学镍金（ENIG）工艺由于优越的性能被广泛应用于PCB表面处理中，但在实际使用中却存在镍腐蚀的现象，严重影响电子产品品质。本文就某PCBA組件出现焊点失效的案例出发，探讨PCB化学镍金镍腐蚀失效原因以及应对措施。

关键词：PCBA；焊点失效；镍腐蚀

1 引言

印制印路板（PCB）作为印制线路板组件（PCBA）的基础模块，其质量对于组件的可靠性及装机后的工作质量尤为关键。ENIG工艺由于其焊盘平整度好、可焊性好、接触电阻小、高湿环境中不氧化、可作散热表面等优点被广泛应用于PCB表面处理中。但ENIG在实际使用中存在镍腐蚀的现象，严重影响电子产品品质。

2 焊点失效案例研究

2.1 背景信息

某PCBA组件在经历两轮随机振动、温度循环、高温老练等筛选试验过程均能正常工作，在后期使用过程上电约10分钟后某线路出现失效，断电半小时后重新上电恢复工作。经故障排查，为PCBA组件上某BGA芯片A引脚出现开路。

2.2 电测及外观检查

在常温状态下测量A引脚失效线路位置与电线接地端（GND）之间电阻约为1.8欧姆。进一步用热风枪对着样品失效区域施加热风，失效线路对地电阻逐渐增大，热风施加至第8秒时失效线路对地发生开路。进一步对失效焊点位置进行外观检查，失效线路未见腐蚀、阻焊模破损等异常。

2.3 3D X-RAY扫描

扫描了故障模块的故障点某BGA芯片的A引脚焊点，未见明显异常。

2.4 声学扫描检查

对某BGA芯片进行声学扫描显微镜检查，结果显示所检器件未见分层，未见明显缺陷，检测结果见表1。

2.6 SEM&EDS分析

对某芯片A引脚焊点截面进行SEM&EDS分析显示：A焊点的焊球与PCB焊盘分离，分离界面未见明显的IMC（金属件间化合物）层。靠近A引脚一侧的焊点普遍发生开裂，开裂界面均发生在焊料IMC与PCB焊盘之间，焊盘镍层可见连续的渗透性腐蚀形貌及明显富磷层，磷元素在镍层中的相对含量接近19%wt，如图1所示。进一步对失效品未焊接的PCB导通孔、失效位置附近以及较远位置进行金相切片，并采用SEM进行观察分析，显示PCB焊盘、孔壁镍层均发现明显的渗透性腐蚀现象，且形成的IMC层厚度均小于3微米。对失效品未焊接的焊盘进行去金后镍面普便可见腐蚀形貌。

2.7综合分析

通过以上分析发现某芯片A引脚PCB焊盘已脱落，分离界面未见明显的IMC层，说明A焊点PCB侧并未生成IMC层或焊点分离界面发生在焊球焊料与IMC层之间，IMC层随焊盘脱落。结合靠近A焊点一侧的焊接情况来看，开裂焊点的分离界面均发生在焊料或IMC与PCB焊盘镍层之间，镍层普遍可见渗透性腐蚀及明显的富磷层，焊料和PCB焊盘之间均未形成均匀连续的良好IMC形貌，不良的IMC层及富磷层的存在均降低焊接界面强度，在应力作用下焊点很容易发生开裂。因此，最终导致了故障点的开裂。

3 镍腐蚀产生原因

ENIG的制作流程一般为“清洗—微蚀—活化—化学镀镍—化学浸金—水洗”。化镍浸金过程中如果产生严重镍层氧化腐蚀，将阻碍焊接时界面IMC层的正常生成，同时因高温焊料对疏松氧化镍的熔解而在镍层表面形成更厚和含量更高的富磷层，而由镍层氧化腐蚀而产生的不连续IMC层以及富磷层使焊接界面具有极低的机械强度，易发生IMC层与镍磷界面间产生脆性开裂失效。第一，浸金过程属于自限制的置换反应，当镍层表面完全被金层覆盖时，置换反应将停止。然而当浸金药水过度活跃，将在金层下的镍晶界面间首先形成镍的氧物和轻微泥裂，为浸金药水提供驻留空间，从而在裂缝和镍层表面间形成原电池，最终导致镍晶界面的严重腐蚀和富磷层的形成。第二，ENIG化学镀镍层的表面越平坦越有利于减少镍腐蚀的发生，越不平坦越容易造成浸金药水对镍晶界的过度攻击而形成黑盘。为了保证表面平整度，一般要求镍层的厚度至少在4um以上。第三，镍层中的磷含量一般认为在8～10wt%有利于防止镍腐蚀的发生。当磷含量过低时，镍层的抗腐蚀能力变差，浸金过程金对镍层的攻击更强，从而容易造成黑盘的发生；当磷含量过高时，焊接过程中金层迅速溶解到焊料中，锡和镍层形成了镍锡化合物，从而形成焊点连接。后期镍锡化合物不断增大，而镍层中的磷不参与反应，将随着过程的进行在镍与化合物界面处形成富磷层，降低结合力，严重影响焊点的强度。

4 结语

现在电子产品制造行业PCB多为采购品，在实际生产中，建议相关企业一方面注重PCB的下厂验收以及入厂验收，重点关注金镍层厚度、镍层磷含量、可焊性等指标；另一方面加强供应商的管控，明确ENIG生产过程化镍槽的寿命管控要求，严格控制化镍槽磷含量。

参考文献：

[1]史建卫.PGB化学镍金镀层（ENIG）常见问题及抑制措施[C].2015中国高端SMT学术会议论文集.2015：423-439.

[2]罗道军，贺光辉，邹雅冰.电子组装工艺可靠性技术与案例研究[M].北京：电子工业出版社，2015：300-309.