HASL焊盘上锡不良原因是什么？
PCB表面处理工艺简介：
润湿条件及润湿不良形式
液态焊料与母材表面清洁，无氧化层和其它污染物。
液态焊料与母材之间有良好的亲和力，能互相溶解。
当焊料与被焊金属之间无氧化层和其它污染物。
不润湿（nowetting）
反润湿（dewetting)
注：反润湿和不润湿的最大区别在于直接接触面的可焊性存在差异。
摘要：
针对某HASL焊盘上锡不良的情况，本文通过对一典型的热风整平处理的焊盘可焊性不良的原因分析表面分析、切片分析、可焊性验证等分析手段查找分析失效原因，分析结果显示，发现导致该类型不良的原因不是通常所认为的镀层表面污染或厚度不足的问题，导致焊盘上锡不良的主要原因为：在焊接前，焊盘表面镀层已经完全合金化，表面的锡铜的代替了焊料，形成可焊性较差的铜锡合金。此外，HASL热风整平的工艺控制不当，焊盘镀层厚度稳定性较差，锡薄处在多次过炉后，锡层与铜层完全反应，导致锡层完全被消耗，只剩下可焊性差的铜锡合金金属间化物，最终导致后续上锡不良。关键词：反润湿，HASL处理；上锡不良；铜锡合金；可焊性；金属间化物
1. 案例背景
送检样品为某款PCB板，该PCB的表面处理是HASL热风整平无铅喷锡工艺，该PCB空板过炉3次后，刷锡膏过回流，在板面的多处地方出现了润湿不良的问题，润湿不良的焊点分布没有规律。组装时所用的焊锡膏等物料都没有变化，据调查工艺参数也一直在受控范围。用户怀疑PCB存在质量问题，只好暂时停产待查原因，以便整改。
图.1润湿不良的PCBA(左)及其典型不良的焊点(右)
润湿不良的PCBA与PCB裸板
2. 分析方法简述
通过表面SEM形貌观察和切片分析可知，NG焊盘未上锡位置镀层已经完全被合金化，形成铜锡合金，说明该焊盘镀层在刷锡膏焊接前已经合金化。过炉3次后焊盘有些位置纯锡层已经完全合金化，形成铜锡合金，而有些位置纯锡层厚度却很厚，达20μm。
2.1 外观检查
用光学立体显微镜分别检查了PCBA上的不良焊点和同批次的PCB裸板对应焊盘的外观特征.结果发现不良焊点中的焊锡回流后对元器件的引脚浸润良好，而对焊盘的浸润很差，有的焊盘甚至 40%的面积仍然裸露没有浸润，从焊点焊锡的表面光泽度看，焊锡的熔化状况和回流的工艺参数应该没有问题，主要的原因应该定位在 PCB的焊盘的可焊性存在质量问题。在用显微镜观察裸板的焊盘表面，我们还发现焊盘的表面平整度不好，呈现凹凸不平滑的异常现象。
Fig.2典型的不良焊点(左)与PCB焊盘(右)外观检查
2.2 扫描电镜与能谱分析
用扫描电镜(SEM)与能谱(EDS)分析PCBA是上锡不良的区域，发现不良区域的焊盘表面有一些残留物，通过其外观特征及其元素成分(见图3)判断，这些残留物应该是焊锡膏回流后的助焊剂残留。用有机溶剂清洗该不良区域后再用电镜观察和能谱分析，结果发现这些残留物很容易清洗干净，但是裸露出来的未上锡的焊盘表面结构显示该镀层均已经合金化，即焊盘的镀层均为锡铜的金属问化物(详见图4)，能谱成分分析的结果进一步证实了我们的判断。综合清洗前后的结果可以推断该焊盘的润湿不良与污染无关。
图.4不良润湿区域清洗后的SEM照片与能谱分析结果
2.3 切片分析
对不良焊点进行切片分析，并用SEM 进行观察，进一步证实未润湿上锡部分的镀层均已经金属化，生成了明显的锡铜的金属间化物(图5)。对同一批次的裸板的焊盘进行类似的分析也发现，焊盘上喷锡厚度不均匀，薄的地方已经全部金属化，生成了金属间化物(图6)。即焊接润湿不良的焊盘表面在组装焊接前都已经是金属间化物。而表面覆盖金属间化物的焊盘的可焊性自然显然很差。从镀层的截面看，包括金属间化物的典型的镀层厚度最小一般有 1.5微米，最大的约 9.4 微米，由此镀层表面呈现凹凸不平的迹象。遗憾的是在薄的区域基本上都已经形成了可焊性差的金属间化物。
图.5典型的不良焊点的截面的电镜照片
(注:能谱图上的Au是方便测试而人为所喷的金.)
金相切片分析
PCB裸板焊盘的金相切片表明，焊盘可焊性镀层厚度不均匀，局部位置无明显的可焊性镀层
SEM分析
存在焊接后残留
Representative SEM Views and EDS Spectrum of the Pads
HASL工艺不当导致焊盘表面全部合金化，导致焊盘的可焊性下降是导致润湿不良的原因。
3. 结果与讨论
由背景信息可知，失效样品在焊接前已经过炉3次，当PCB板焊盘的锡镀层厚度存在严重不均时，焊盘在经过过炉高温过程中，纯锡层会与铜层发生反应，产生铜锡合金，所以当纯锡层较薄位置的锡会在过炉过程中被完全合金化，形成可焊性较差的铜锡合金，导致焊盘上锡不良。该PCB焊盘的镀层工艺为HASL无铅喷锡工艺，该工艺本身稳定性较差，但不应出现如此大的差异。
通过以上的各种分析，发现润湿不良的焊盘表面镀层质量不均匀，焊锡镀层厚度差异很大，部分镀层薄的区域已经在焊接前都已经金属化，生成了可焊性极差的锡铜金属间化物。这层金属间化物应该是在热风整平的工艺过程中形成的，熔融的焊锡与PCB的铜箔扩散形成，而本来金属间化物表面应该有的焊锡镀层则被过高温度或压力的热风刮除，只留下较硬的金属间化物层。因此，焊盘镀层表面的过度金属化的原因应该是热风整平工艺中 PCB 过长时间的浸锡时间和过高压力和温度的热风刀造成，与镀层本身的厚度无关，也与污染无关。
- 由于润湿不良均发生在后焊一侧、故可能与高温过程导致的可焊性退化有关。由于高温作用导致焊盘的可焊性下降，从而加剧PCB焊盘可焊性不良 。
- PCB裸板的金相切片分析表明，PCB焊盘的可焊性镀层厚度不均匀，局部位置可焊性镀层在金相显微镜下观察不明显。局部位置可焊性镀层偏薄将导致PCB在经过一次回流焊接后，可焊性镀层全部参与合金和高温氧化，而导致PCB焊盘可焊性下降。
导致HASL焊盘上锡不良的主要原因为：
- PCB焊盘的可焊性镀层厚度不均匀，局部位置的可焊性镀层偏薄，在经过一次回流焊接后，HASL可焊性镀层与PCB Cu焊盘之间形成合金，降低了PCB焊盘的可焊性。
- PCB焊盘的可焊性不良导致焊料在PCB一侧润湿不良，焊料全部爬升到器件引脚一侧，并在器件引脚和PCB焊盘之间形成较多的残留，进一步阻止焊料在PCB焊盘一侧的润湿，导致PCB焊盘的吃锡不良。
- 在焊接前，焊盘表面镀层已经完全合金化，形成可焊性较差的铜锡合金。此外，HASL工艺不良，焊盘镀层厚度稳定性较差，锡薄处在多次过炉后，锡层与铜层完全反应，导致锡层完全被消耗，只剩下可焊性差的铜锡合金，导致后续上锡不良。
- 生产A面时，长回流时间，高峰值的回流曲线，加速B面HASL焊盘合金化。
1 无铅HASL板锡的厚度控制不当时易出现上锡不良2 通常不良出现在第二次焊接的表面或者面积较大的焊盘表面3 不适当的烘烤或者存储也可能导致该问题的产生，故要严格控制HASL板的烘烤处理4 为了避免该类失效的产生，最好对HASL层的最低厚度提出要求；控制方法：加强无铅喷锡PCB的存储控制，避免不必要的高温烘烤。对来料的PCB镀层厚度进行严格控制，原则上喷锡厚度要求在3um以上。
5 结束语
通常，很多时候人们往往将焊盘可焊性差的原因归结于可焊性镀层过薄，或镀层表面受到阻焊的有机污染物污染，这种情况对于电镀或化学镀形成的镀层可能是对的。但对于HASL的表面处理而言，这样的推理却往往不正确。通过对多个案进行分析，镀层表面过度的合金化，表面覆盖物都是金属间化物而没有可焊的焊锡，同样可以导致后续的焊接不良，而这样的不良在以前往往被许多人认为是镀层过薄造成的。要知道，HASL 处理的可焊性镀层的厚度是没有标准要求，只是需要镀层被焊锡覆盖并可焊即可。本案例可以给PCB 的表面 HASL处理工艺的质量保证提供较好参考，以避免类似问题的再度出现。
