焊接技术的分类及处理方式

焊接技术的分类及处理方式

SMT焊后助焊剂及焊膏残留物清洗剂禾明科技分享：深入解析SMT焊接异常与PCB镀层关系

1.焊接分类

1.焊接

2.压焊

3.钎焊

电子装联的核心-连接技术：焊接技术

焊接技术的重要性 - 焊点是元器件与印刷电路板之间的电气和机械连接。焊点的结构和强度决定了电子产品的性能和可靠性。

焊接学中，把焊接温度低于450℃的焊接称为钎焊，所用的焊料为焊锡。

软焊的特点：

1、焊料的熔点低于焊件的熔点。

2. 加热直至焊料熔化并润湿焊件。

3、焊接过程中焊件不熔化。

4.焊接过程中需使用助焊剂。（去除氧化层）

5.焊接过程可逆。（拆焊）

电子焊接是通过熔融的焊料合金与两种被焊金属表面之间建立一层金属间合金层（焊缝），从而实现两种被焊金属之间电气和机械连接的焊接技术。

电子焊接（SMT焊接）属于软焊接

2. PCB涂层

PCB表面处理：对需要焊接的裸露焊盘进行电镀处理。

目的：提高可焊性和防护。

PCB表面处理方式：对基材的露铜面进行表面处理

PCB表面镀层处理方法的分类

1.喷锡

2.OSP

3.化学锡

4.化学银

5.电镀镍金

6.化学镀镍金

1.无铅喷锡

•工艺流程：微蚀-水洗-涂耐高温助焊剂-喷锡-水洗。（有些工厂在微蚀前会预热板子）。

•工艺：喷锡时PCB板要浸入熔融的无铅焊料中（约270℃），迅速将PCB板抬起，用热风刀（温度265-270℃）将液态焊料从板面正反面吹平，使铜面的曲面焊月变平整，防止发生焊锡桥接。

•设备：卧式、立式无铅热整平机。（卧式方法所得镀层更均匀，且自动化生产）。

•材料：无铅焊料，例如、、或 305 焊料。耐高温助焊剂。

•要求：焊盘表面2-5微米，孔洞小于25微米（也可放宽至38微米）。

•特点：涂层不够平整，主要适用于线路较宽、焊盘较大的板子，通常不用于HDI板。对覆铜板的耐热要求较高，喷锡过程比较脏，气味不好，高温操作时比较危险，其使用受到一定的限制。

2.OSP

•又称（耐热预助焊剂），是早期松香型助焊剂的延续和发展。

•工艺流程：除油—微蚀—酸洗—纯水洗—OSP—清洗—吹干。

•第五代产品： （1）咪唑类（或苯并三唑）； （2）烷基咪唑类； （3）苯并咪唑； （4）烷基苯并咪唑。 （5）烷基苯基咪唑。

•第4代：烷基苯并咪唑是目前使用最多的，热分解温度为250-270℃，适合无铅焊接温度（250-270℃）的多种回流焊温度。

•第五代：烷基苯基咪唑HT-OSP，分解温度354℃，热稳定性好，焊接界面不易产生微气泡、微腔，提高焊接结合强度。

•原理：在铜面形成一层有机膜，牢固地保护新鲜铜面，防止高温下的氧化和污染。OSP厚度为0.1-0.2微米，或0.2-0.5微米。

•特点：工艺简单，成本低，既可用于低技术含量的PCB，也可用于高密度芯片封装基板，是最有前途的表面涂覆工艺。（争议点：组装时无法辨别颜色，OSP颜色与铜相似，会划伤板面，影响焊接，OSP储存期约6个月）。目前OSP可承受三次热应力（288℃，10s）而不发生氧化、变色。

3.化学锡

•工艺流程：除油—微蚀—酸洗—纯水洗—浸锡—清洗。

•特点：由于目前所有的焊料都是以锡为基础的，因此锡层与任何类型的焊料都具有相容性。从这个角度来看，在几大PCB表面镀层品种的比较中，沉锡具有很好的发展前景。

•厚度：1.0±0.2微米。

•存在问题：（1）不能经受多次焊接，一次焊接后形成的界面化合物会成为无法焊接的表面。

（2）会产生锡须，影响可靠性。

（3）浸入的锡液极易侵蚀阻焊膜，造成膜层溶解、变色，对铜层造成腐蚀。

⑷沉锡温度高，≥60℃，1微米锡层需沉十分钟。

•改进：在浸锡液中添加有机添加剂，使锡层结构呈颗粒状，克服了锡层脱落的问题

一定，锡迁移问题，热稳定性也良好。

•用途：有客户指定采用沉锡电镀，比无铅喷锡电镀平整，适合通讯主板。

沉锡后的板子要存放在良好的室内，并在储存有效期内使用。

4.化学银

•工艺流程：除油（脱脂）——微蚀——酸洗——纯水洗——浸银——清洗。

•特点： 1、工艺简单，速度快，成本低。

（2）沉银液中含有一定的有机物，能防止银层变色及银迁移。

（3）药层厚度为0.1-0.5微米（通常为0.1-0.2微米），焊接性能优良。

⑷银层在装配时具有良好的检查性（银白色）。

•问题：·浸银生产线所用水全部为纯净水，防银层发黄、发黑。

（自来水中有氯离子，Ag+Cl AgCl，形成白色沉淀）

·银易与空气中的硫结合生成硫化银，呈黄色或黑色。

所有操作、储存、包装均需无硫手套、无硫纸包装，储存环境要求高，不允许使用普通纸张隔开板子，不允许用橡皮筋缠绕板子。

·为防止银离子迁移，沉银板不可存放在潮湿的环境中。请在存放期限内使用。

参见CPCA标准《印制板的包装、运输和贮存》（-2009）。

•用途：客户指定。在高频信号中，沉银板的电气性能良好。欧洲和美国的许多用户都要求沉银板。

5.电镀镍金

•工艺流程：除油—微蚀—酸洗—纯水洗—镀镍—纯水洗—镀金—回金—水洗•电镀类型：

1.镀硬金。

用于：PCB插头、按钮。

特性：·耐磨、接触性好、硬度（120-190㎏/㎜²﹚

·镍基，镍层厚度3-5微米；金厚度：0.1、0.25、0.5、0.8、1.0……微米。

·镀金层含有钴（Co，0.5%），或Ni、锑等金属。

（2）镀软金。纯金、24K金。

用途：用于焊接。

特点：·镍底漆，≥2.5微米，防止金层扩散到铜层，并且焊接时镍层与焊料牢固结合。

·镀金层很薄，0.05-0.1微米。

•特点：·电路必须镀金，成本较高，目前已很少使用。

·金面上印刷有阻焊剂，阻焊剂容易脱落。

·焊接时金层会变脆。（当焊料中金含量≥3％时）

6.化学镍金

英文全称：ENIG。简称ENIG。沉镍金。

·工艺流程：除油（脱脂）—微蚀—活化—化学镍—化学金—清洗。

·特征：

1、化学镀Ni/Au镀层厚度均匀，共面性好，焊接性良好，具有优良的耐腐蚀、耐磨性能。

广泛应用于手电筒、电脑等领域。

（2）镍层厚度为3-5微米，目的是为了防止铜-金界面间的相互扩散，保证焊点可靠焊接。

3.化学镀Ni/Au已迅速取代电镀Ni/Au。

⑷化学镀镍是该工艺的关键，也是最大的难点。

⑸金层厚度通常为0.05-0.15微米。

•反应机理：

（1）镀镍：在金属钯的催化下，铜表面通过溶液中的还原剂和镍离子发生镀镍反应，镍本身是进一步化学镀镍的催化剂，在溶液中的还原剂次磷酸钠作用下，化学镀镍沉淀过程将持续进行，直到产品从镀液中取出。在沉积过程中，磷与镍共同镀入镀层中。化学镀镍实际上是一种化学镀镍磷合金。

（2）沉金：氧化还原反应。通过镍金置换反应，将金沉积在镍表面。

•化学镀镍层实际上是镍磷（Ni-P）合金层。镀液中的次磷酸根离子（P为P2+）在镀液中主要起还原剂的作用，但P2+也能发生歧化反应，自还原为单质P，与Ni原子一起沉积，同时放出氢气（H2）。[2]。从Ni-P二元相图来看，P在Ni中的溶解度很小，在其共晶点位置（势能最低）存在着Ni和Ni3P两个稳定的固相，其中Ni3P相较为稳定。

•化学镀金是一种置换反应。在镀液中，金离子从基材上的镍原子获得电子。结果，镍原子变成离子并溶解在镀液中，金离子变成原子并沉积在基材上。 •2 Au(CN)2— + Ni → 2 Au +Ni2+ + 4 CN —[3]

•当Ni层表面完全被Au原子覆盖，即镀液与Ni原子不接触时，反应停止，Au层厚度通常在0.05-0.1mm之间，对镍表面有很好的保护作用，且接触性能好。

表面处理

涂层性能

制造成本

厚度

(微米)

保质期

应用比例

无铅

喷锡

涂层不均匀，主要适合焊盘大，线距宽的板子，不适合HDI板。制程比较脏，有异味，温度较高。

中高

垫 2-5

孔内≤25

1年

20％

开放源码协议

镀层均匀，表面平整。外观检查困难，不宜多次镀，耐划伤。工艺简单，成本低。焊接可靠性好。

最低

0.1-0.5

半年

20-25％

化学镍金

镀层均匀，表面平整。焊接性佳，接触性佳，耐腐蚀性佳，可辅助散热。制程控制不当，会造成金脆、板面发黑、元件焊接不牢等现象。

高的

镍 3-5

金0.03-0.08

1年

30-35％

化学锡

镀层均匀，表面平整。锡须不易控制，耐热性差，易老化、变色。可焊性好。

低的

0.8-1.2

半年

5-10％

化学银

涂层均匀，表面平整。焊接性好，能承受多次装配操作。对环境储存条件要求高，容易出现发黄、变色。

中间

0.1-0.5

半年

5-10％

电镀镍金

镀层不均匀，接触性好，耐磨性好，可焊接。

既浪费金子，又难以保证印刷在金面上的阻焊层的附着力。

最高

Ni3-5

金0.05

1年

10％

焊接时

·焊接的本质是在镍表面进行的。

·金层是为了保护新镀的镍表面不被氧化，金层不宜太厚。

·在焊接温度下，非常薄的金层会很快融入焊料中。

·焊接时，镍表面首先生成的IMC结构为平整的针状面，这层化合物能降低焊料与Ni-P层之间的反应，成为良好的阻挡层。

·但是，熔融的Sn容易通过NiSn的空隙进入界面，形成界面共晶化合物，从而产生裂纹并引起可焊性问题。

焊接过程中产生的IMC

IMC：的缩写。中文：界面金属间化合物。

当采用镍析出的金层进行无铅焊接时，金层在足够的热量下会很快溶解到焊料主体中，形成一种AuSn4弥散分布的界面金属间化合物。金的溶解速度比镍快几万倍（溶解速度为117微英寸/秒）。只有速度较慢的镍和锡形成的共晶化合物才焊接牢固。因此，当焊接Ni/Au层时，正是这层IMC（界面金属间化合物）形成了牢固的焊缝。

镍浸金焊接中IMC厚度一般为1-3微米，IMC层过厚或过薄都会影响焊接强度。

印刷焊膏后的ENIG板

在焊接过程中，金开始熔化并扩散到焊料中，锡和镍将形成IMC层。

焊接后，镍与锡形成IMC层（金完全熔化后扩散到IMC层中，由于部分镍参与形成IMC，磷又浓缩在镍层和IMC层之间。）

焊接后形成的IMC层良好，完全无腐蚀，且明显富磷层（所以焊接涂层肯定不会出现任何失效问题）的SEM照片

3、SMT焊接异常与PCB镀层的关系

镍金的主要缺点

·黑点，黑点，黑盘。

·浅白色（不同颜色）。

·焊接性差，焊点开裂。

·金黄酥脆。

·富磷层造成焊点强度不足，元器件会脱落。

缺陷原因分析

·当镍层厚度小于2微米，或镍层不均匀（表面处理不良）时，则镍表面会出现

淡白色。

·当镍、金表面受到污染、腐蚀时，就会出现黑点、黑板现象。

除镍后，水洗不净，水质差，或暴露在空气中时间过长。

沉金反应过度，镍层氧化。

浸泡后清洗不良。

浸镍金后保存条件较差。

·当金层过厚，焊料中金的重量比例>0.3%；或焊接温度不够时，都会造成金不完整。

充分扩散。此时焊接层IMC强度不足，脆性增大，即金脆。

·富磷层过厚、镀层中P含量过高（>9%）时，焊点强度不足，元器件容易脱落。

过厚的IMC层在一定程度上降低焊点的机械结合强度。

·镍层磷含量对镀层的焊接性、耐蚀性至关重要，P占6-9%，IMC不宜过厚，应控制在1-3微米，难点和重点是控制镍槽。

富磷层过厚的原因

（1）沉镍液中磷含量较高，镀镍化学工艺控制不当，镀镍液寿命短，一般4-5MTO后再开缸。

（MTO—金属替代循环）

（2）洗镍后清洗效果差，镍表面被污染和氧化。被氧化和污染的镍不会参与镍和金之间的相互作用

置换反应后，经浸金层覆盖后呈现富磷层。

（3）沉金过程中金层越厚，镍被取代的越多，镍表面被过度腐蚀，形成的富磷层越厚。

金越厚越好，焊接用的金层厚度控制在0.03-0.08微米（最好是1-3微英寸）。

⑷IMC太厚。焊接过程中，镍和锡形成焊接层IMC，磷没有参与焊接。

因此在镍流失部位磷含量相对富集，IMC层越厚，参与焊接的镍层越多，磷含量也相对富集。

磷层越厚，IMC控制在1-3微米为宜。

富磷层中P含量为15-18%，焊点开裂，焊接强度不足，元器件脱落。常发生在IMC与富磷层之间。

黑色焊盘导致零件缺陷

1. 黑垫产生机理

事实上，在镀金过程中，由于Ni的原子半径小于Au，当Au原子排列沉积在Ni层上时，其表面晶粒会呈现粗糙、疏松、多孔的形貌，形成无数的空隙，而镀液则会通过这些空隙继续与Au层下的Ni原子发生反应，使Ni原子继续氧化，而未溶解的Ni离子则被困在Au层下，形成氧化镍(NixOy)。当镍层受到过度氧化的侵袭时，就会形成所谓的黑焊盘。在焊接过程中，薄薄的A​​u层很快扩散到焊料中，露出已被过度氧化、可焊性很低的Ni层表面。这必然会导致Ni与焊料之间难以形成均匀连续的金属间化合物(IMC)，影响焊点界面的结合强度，甚至可能沿焊点/镀层界面产生裂纹，严重时会导致表面润湿性差或镍表面发黑，俗称“黑镍”。

2.实际缺陷分析；

对缺陷焊点进行扫描电子显微镜（SEM）分析，发现焊点周围存在较多的非导电物质。进一步用X射线能谱仪（EDS）分析发现，非导电物质为助焊剂。使用异丙醇洗去助焊剂后再对失效焊点进行SEM分析。因为焊接后焊盘表面的Au层已经扩散掉，只剩下Ni层。发现裸露在外的Ni层已经腐蚀，焊盘呈现明显的黑化特征。

为了确认Ni层的腐蚀程度，对脱焊焊盘位置进行了切片检查，发现最深的横向腐蚀超过了Ni层厚度的一半，约为2.8μm，并且焊盘边缘腐蚀更深，如图3所示。这种腐蚀必定会对焊接时Ni和Sn的合金化产生负面影响。对同一块失效PCB上未焊锡焊盘的Ni层进行扫描电子显微镜分析，也发现Ni层也受到了明显腐蚀，但腐蚀程度没有失效位置那么深，见图4。这与部分焊点失效的现象一致。

焊点焊锡不良的主要原因是焊盘镍层被氧化腐蚀，直接影响焊料与镍之间的合金化。焊盘发黑不但影响SMT的焊接，而且对现在的COB邦定工艺也有潜在的危害。

4. 总结

1、良好的PCB镀层是完成SMT焊接的前提，是形成完美焊点的基础，是生产高可靠性电子产品的基础。

2、随着社会的发展，SMT由有铅到无铅，现在又到无卤素，PCB也由单纯的镍金工艺发展到镍钯金工艺，各种工艺变更后，焊接异常现象会增多，如：不良“头枕”、COB焊线焊盘与SMT焊盘一起生产，金层厚度控制等一系列环环相扣的问题。

3. 清洗后PCB镀层会不会有变化？SMT后采用超声波清洗工艺去除助焊剂，清洗后是否会对PCB焊盘镀层造成不可估量的损害？清洗后产品经常出现线路结合不良，与电镀有关吗？

以上问题都有待我们进一步研究。