第3章

PCBA在组装中的典型缺陷案例

No.027 PCB/HASL-（Sn、SnPb）涂层存储一年后发黄

1.现象表现及描述

某产品采用HASL-Sn（SnPb）工艺的PCB，入库验收时未发现不良现象，但在库房存储一年后，发现HASL-Sn（SnPb）涂层发黄，如图3.1所示，因此可焊性很差，虚焊率非常高。

对样品做金相切片进行SEM/EDX分析，如图3.2所示。由图可知，纯Sn（SnPb）层已经不存在了，涂层表面已经出现了Cu。

2.形成原因及机理

1）形成原因

由图3.1和图3.2可知，导致HASL-Sn（SnPb）涂层在存储一年后表面发黄的原因是铜导体上的铜原子已经扩散至Sn的表面，使原来纯Sn（SnPb）镀层演变为铜锡金属间化合物层，即Cu6Sn5层（可能还出现了有害的Cu3Sn）。这样不仅使涂层表面颜色变黄，而且由于Cu6Sn5和Cu3Sn层存在可焊性不良问题，故焊接时不容易被焊料润湿，从而发生大面积的不润湿和反润湿，造成虚焊现象。

2）形成机理

金属间化合物的生长速度是温度和时间的指数函数，并按指数n（这里，n=1或1/2）上升。在特定的焊料/基片系统和使用环境（时间和温度）下，金属间化合物层能够在超过组件寿命的时间内继续生长，可以变得非常厚（超过20μm）。图3.3描述了在各种镀覆层和温度下，Cu-Sn金属间化合物的生长情况。

电子互连技术在很大程度上是基于用SnPb合金将元器件的引脚端连接到Cu焊盘上的，在焊接和随后的处理与退火期间，两种金属间化合物（Cu6Sn5［η］和Cu3Sn［ε］）将形成和生长。Cu焊盘分解和金属间化合物是通过Sn扩散到固态Cu内和Cu扩散到液态焊料内形成的。Cu6Sn5［η］形成于邻近焊料的一侧，而Cu3Sn［ε］则形成于邻近Cu焊盘的一侧。当组合的金属间化合物层过厚时，就能形成邻近金属间化合物Cu6Sn5［η］的焊料富Pb层。

在Cu焊盘上预涂Sn或SnPb可熔性涂层，本来是为了保持可焊性的，但若其形成的金属间化合物层过分地固态生长，将导致可焊性不足或丧失。金属间化合物层会消耗很薄的Sn层或SnPb焊料层。CuSn金属间化合物只能被强活性助焊剂浸润。如果焊料或可熔性涂层在Cu焊盘上足够薄，则任何一种金属间化合物都可能发生氧化。金属间化合物层中也会出现一些被焊料环绕的绝缘碎片，或在最坏情况下会出现润湿性极差的均匀氧化的表面。

上面已分析了Sn或可熔性涂层在温度环境下与Cu焊盘的扩散运动，将导致铜锡金属间化合物的生长，从而带来严重的工程应用问题。例如，以厚度为1μm的Sn镀层为例，存储一年再经历三次焊接后，Sn镀层的实际消耗情况如表3.1所示。

表3.1 Sn镀层（1μm）的实际消耗情况

假如采用HASL-Sn或可熔性涂层工艺，则表3.1中所列剩余的用于确保良好可焊性的纯Sn层厚度将完全消耗殆尽。显然从保护和可焊性角度看，目前PCB制造方执行的Sn或SnPb保护涂层的最小厚度为0.8μm是不够的，建议最小厚度应修正为1μm以上，这时才能满足工程应用的要求。

从图3.2的SEM/EDX分析中可知，本案例用于保护和维持良好可焊性的纯Sn层或纯SnPb层均已消耗殆尽，已有3.10（wt）%的Cu元素扩散至涂层表面，并以氧化亚铜的形式存在于涂层表面，从而导致涂层表面发黄和可焊性不良甚至丧失可焊性。

3.解决措施

（1）PCB制造方：

① 修改现有的电镀和HASL-（Sn，SnPb）涂层的最小厚度，由0.8μm增加到大于或等于1μm。

② 严格控制HASL-（Sn、SnPb）工艺的温度和时间，切不可温度过高和时间过长。

③ 改善操作环境和中间存放条件，不可滥用烘烤程序。

（2）用户方：

① 必须严格执行PCB产品6个月存储期的要求，避免超期使用。

② 改善存储环境，加强物料管理和计划性。

③ 对物料在不得已的情况下（如吸潮了），尽量不要滥用烘烤程序。