波峰焊接孔孔銅缺失的失效機理簡析

插件孔是實現PCB不同層線路互連的主要橋梁，因而其孔內銅層的完整性成為PCB備受關注的熱點之一。一直以來，孔無銅的失效案例屢見不鮮，嚴重影響PCB的性能和可靠性。在焊接過程出現異常時，孔銅被錫溶蝕（浸析現象）是導致孔無銅的常見失效原因之一，目前有關此類失效案例的分析文章尚少，本文結合一例波峰焊后錫溶銅導致的孔無銅失效案例，對波峰焊后焊接面孔銅缺失的機理進行簡析。

1 波峰焊接簡介

波峰焊是指將熔化的軟釬焊料，經電動泵或電磁泵噴流成設計要求的焊料波峰，亦可通過向焊料池注入氮氣來形成，使預先裝有元器件的印制板通過焊料波峰，實現元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的軟釬焊。

波峰焊的主要工藝流程：將元件插入相應的元件孔中→預涂助焊劑→預烘（溫度90－100℃，長度 1～1．2m）→波峰焊（220－240℃）→切除多余插件腳→檢查。

圖1 波峰焊示意圖

2 失效案例分析

2．1 案例背景

某PCB板在完成波峰焊后外觀檢查發現SS面（即波峰焊接起始面）整排1．5mm插件孔均出現缺失的現象，其余位置外觀上錫良好，未發現孔環缺失現象，不良率為0．67％，其表面處理為有鉛噴錫（HASL）。

不良板孔環缺失位置確認如圖2所示：

通過立體顯微鏡觀察PCB板不良位置的孔環情況，發現不良孔孔環位置無完整的銅層，部分位置已裸露出基材。

通過查找相關生產信息可知，該PCB板的生產流程包括化學沉銅、負片電鍍（最小孔壁銅厚要求為20μm）、磨板、酸性蝕刻、有鉛噴錫等。

2．2  失效模式分析及定位

根據該板的生產流程可知，可能導致孔環缺失的原因主要有：酸性蝕刻的藥水對銅的咬蝕，有鉛噴錫對銅的溶蝕和波峰焊接錫對銅的溶蝕等。現對不良板的孔環缺失位置和板上其它未進行波峰焊接的PTH孔進行垂直切片分析對比，如圖3所示：

從圖3可以看出，對于表面處理為有鉛噴錫的PCB板，未進行波峰焊接的PTH孔的孔銅僅被噴錫過程咬掉4．4μm的厚度。而波峰焊后的PTH孔在波峰焊接起始面有孔環缺失的不良現象（如孔環缺失位置－2所示），焊接終止面孔環的孔銅完整，因而可以排除不良孔的孔銅缺失是由有鉛噴錫對銅的溶蝕導致的。另外，在不良孔的孔口位置有部分銅殘留，殘留的銅層厚度為14．9μm，阻焊下的銅層完好無缺，厚度為46．6μm，說明在阻焊工序之前孔環位置孔環銅厚滿足要求，可以排除不良孔的孔銅缺失是由酸性蝕刻過程中被藥水咬蝕導致。因此，推斷不良孔的孔環銅層可能是在后續進行波峰焊接時出現異常，導致銅被錫溶蝕的失效。

2．3  失效模式確認

為了進一步驗證不良孔孔銅缺失的真因，現對失效孔環位置進行垂直切片分析，確認其失效模式，如圖4所示：

不良孔的孔銅在波峰焊之后，沿著焊接起始面到終止面，孔銅由薄到厚漸變，孔環、孔口和內側孔壁銅均被逐步溶蝕，且焊接起始面的孔環和孔口銅層優先被咬蝕干凈，而孔內遠離波峰面的孔環和孔壁銅則相對完整，被咬蝕掉的厚度較輕微。

2．4  孔銅的浸析機理簡析

在焊接過程中，焊料處于熔融狀態，浸入熔融焊料的PCB板的銅會向錫中擴散和溶解，在生產中將這種現象稱為浸析現象或“溶蝕”現象。發生浸析現象的本質，是由于金屬銅與液態焊料的金屬錫之間存在著良好的親和力。

波峰焊接所采用的焊料分為有鉛和無鉛焊料，在各種焊料中Sn都是主要成分，銅在錫的溶解率取決于許多因素：焊接時的溫度、焊料成分，以及焊接時間和焊料的流動速度等。在生產過程中，這些參數異常可能會導致孔銅被錫溶蝕的不良現象。

3  改善建議

銅在錫的溶解率取決于焊接時的溫度、焊料成分，以及焊接時間和焊料的流動速度等因素。因此，可以通過以下方法控制銅的溶蝕程度：

（1）正確設置波峰焊的溫度曲線，并通過定期檢測實時溫度曲線來調節溫度曲線；

（2）適當縮短焊接時間，避免PCB板的銅長時間接觸錫料；

（3）定期清理錫渣，加強設備的日常維護，讓設備可以正常工作，防止出現卡板、波峰不均等現象。

4  結論

在波峰焊中，一些生產異常會導致PCB板的插件孔浸入錫料的時間過久，孔銅會被逐步浸析溶解，溶解在錫料的Cu隨著時間的延長會越來越多，會導致錫料的黏度增加以及錫料熔點上升等問題。

在實際生產中，應規范操作，嚴格管控焊接溫度和焊接時間等工藝參數，提升人員的操作技能等，防止PCB板在生產過程中出現孔銅溶蝕的失效現象。