無鉛噴錫板(HASL)上錫不良原因(資料收集)

噴錫板(HASL)吃錫不良

其實工作熊個人原本不太建議使用噴錫(HASL)板來執行現在的SMT製程,尤其是雙面的SMT製程,因為不良率(Defect rate)真的很高,而且還不太容易克服。

相信大部分玩SMT工藝的朋友在碰到這類SMD零件吃錫不良時,最開始都會先懷疑是否為錫膏(solder paste)印刷不良(鋼網的厚度、開孔、壓力…等)、錫膏過時效氧化、SMD零件腳氧化、或是迴流焊的溫度曲線沒有調好。

不知道大家有沒有想過,這些HASL表面處理的焊錫不良原因可能有一大部分是來自噴錫版的噴錫厚度,以前大家比較熟悉的應該都是化金(ENIG)的金層與鎳層的厚度會造成焊錫的問題,可是噴錫板的錫層太薄會造成焊錫不良嗎?下面是我收集到的一些資料,給大家參考。(文章中的圖片只是參考用,並不是案例的圖片)

有經驗的朋友也歡迎提供您寶貴的意見。







(2016/7/30更新)工作熊最近發現HASL表面處理板似乎有死灰復燃的跡象,原因好像是因為OSP表面處理板的長期信賴度不佳所致,因為OSP初期的確會生成具有良好的強度IMC之Cu6Sn5,但使用一段時間後會漸漸生成不良IMC的Cu3Sn,引發零件掉落的問題,所以隱隱地有一股潮流往HASL的方向回流。

另外,經過一段時間的製程改善,HASL的表面平整度似乎也得到了一定的改善了,再加上在開始有板廠在噴錫中加入鎳(Ni)用以抑制Cu3Sn生成速度,改善原來SOP長期信賴度的問題,所以現在剩下的唯一問題就是噴錫厚度的掌握了。

文章標題 文章大意
無鉛噴錫(HASL) 上錫不良案例研究 (簡)

分析HASL板子第二面回流焊後吃錫不良的原因。有金相切片分析的結果,顯示不吃錫焊墊的地方已經出現銅錫完全合金化的現象,此種銅錫合金已經無法再提供可焊性。

檢視同批次未焊錫的PCB空板並做切片分析,發現未經焊接的PCB焊墊錫鍍層表面已存在嚴重的合金發生暴露現象。PCB空板的做切片也可以發現到銅錫合金生成,量測厚度大約為2µm,考慮到合金化會導致厚度增加,推測原本的噴錫厚度應該在2µm以下,因此推斷根本原因為原來噴錫的厚度太薄(2µm以下),以致銅錫合金化暴露於焊墊的表層,沒有足夠的錫可以再予錫膏結合,進而影響到焊墊吃錫的效果。

雙面噴錫板單面上錫不良如何處理 (簡)

這應該是一篇整理文,集合各方意見的文章,但是談到最後大多歸咎於噴錫厚度太薄,以致造成焊錫不良。

噴錫厚度建議至少要高於100u"(2.5µm)以上於大面銅區,200u"(5.0µm)以上於QFP及週邊零件,450u"(11.4µm)以上於BGA焊墊,比較能解決第二面過迴流焊發生拒焊的問題,但噴錫厚度越厚,就越不利細間腳的零件,容易形成短路的問題。

PCB的製程上,越小的焊盤噴錫的厚度也會越厚,容易對細間腳零件造成短路。

噴錫板儲存時間越長,長成IMC(Cu6Sn5)的厚度就會越厚,就會越不利後續的迴流焊焊錫。

通常噴錫板的錫越平整,則厚度就變得越薄。


延伸閱讀:
整理幾種常見PCB表面處理的優缺點
[討論]SMD零組件內部焊接需要使用高溫錫嗎?
設計Thermal Relief pad(熱阻焊墊/限熱焊墊)降低焊接不良


訪客留言內容(Comments)

1.噴錫板噴錫太厚 會造成mark 置放機讀不過 因mark上的錫形成凸點
2.大pad pad噴錫厚薄不均 造成過reflow 後 有錫縮

Paul;
印象中應該可以選擇【Fiducial mark】不噴錫。
不過噴錫太厚薄不均勻的確會造成細間腳零件吃錫不良的問題,或是噴錫較薄處有縮錫的問題。

我司也有發生錫縮問題.最後從環境管制與放寬縮錫標準來因應.

smt將LED以138℃低溫錫膏焊於噴錫板上時,鋁基板於運輸途中為何有LED脫落狀況?

亓健源;
LED零件脫落有好幾可能,比如說吃錫不良或是未沾錫(non-wetting)造成,還是零件被撞掉,或是產品無法承受運輸途中的摔落及震動而掉落,每個現象的原因都不一樣,你應該先聊解一下LED 脫落的現象,然後做判斷。

138度的低溫錫膏,應該是錫鉍合金的吧??
你應該先去了解低溫錫膏的特性之後,
再去看整個製程中是否有需要改善的地方
遇到瓶頸再來發問,這樣才會比較好吧!!!

狂人哥,
最近遇到一個拒焊的問題,客戶使用sba無鉛免洗焊鍚膏,合金:Snbi35Ag1.0 成份:Sn:Bal Bi35±0.5 Ag 1.0±0.1 溶解溫度 139~187℃–但PCB噴鍚製程為錫鎳銅,是不是造成拒焊的最主要原因,因為上件的不良率非常高。

Maggie;
對於噴全錫的板子,使用低溫錫膏並不一定是拒焊的主要原因。
建議你先確認拒焊的部位發生在板端還是零件端?
如果是板端,建議在板子上沾些低溫及高溫錫膏作比較,然後使用烙鐵頭看看板子能不能吃錫,如果膏低溫的錫膏都不吃錫,那表示板子有問題,否則可能要檢查一下貴公司使用的低溫錫膏品質。

狂人哥,謝謝回覆…
您的意思是說低溫的錫膏在板上都不吃錫–是低溫錫膏品質的問題 or 低溫的錫膏在板上都吃錫–是板子的問題?

maggie;
如果高溫錫膏與低溫錫膏在噴錫板子上都不吃錫,這樣子版子的問題比較大,拿去分析鍍錫的厚度就可以知道了。
如果高溫錫可以吃錫,但是低溫錫不吃錫,就比較有可能低溫錫有問題。
這只是一種簡單的比較法。這時候就可以找低溫錫的廠商來看看問題點。

謝謝提供,感謝~!

請問狂人兄:
噴錫厚度一般有厚度標準嗎?
如果SMT製程上碰到縮錫或拒焊現象,
請問在SMT上可有方法能有效克服或改善嗎?
以上這些情況.對於電子產品可靠度表現上存在著一定程度的影響
是否有建議的方式可做製程管制.預先將不穩定產品先行於製程上卡下
不讓產品流出造成異常客訴等.
以上.謝謝

Jack;
1. 如果你對HASL有這麼多擔心,那為何還要使用HASL的板子呢?
2. 建議你把文章中的兩篇文章連結讀過一次,這樣你會HASL有比較深入的瞭解,也會對你所問的問題有答案。
3. 個人不建議雙面焊錫的製程採用HASL的板子,因未拆封後且經過一次高溫後的板子會在第二面形成的IMC,不利二次迴流焊。

HASL随着无铅化的要求已经逐渐退出了,现在的主流表面处理趋向于OSP和ENIG了。HASL对焊接质量的影响,一些大公司其实都有研究,和您这篇稿子讲的差不多,喷锡厚度是关键因子。当然这个不是HASL没落的主要原因,最主要还是无铅化的要求和现代电子产品高密小型化,HASL的焊盘不平整问题。

最近我倒是遇到个问题想问一下:ENIG的黑盘问题,貌似还没怎么搞明白。看了很多资料、论文,也都语焉不详。所以想请教一下:针对黑盘问题,PCB板厂应该如何管控?通过控制哪些制程参数可以降低黑盘风险或者是发生的概率?

你好;
建議你可以參考此篇白榕生老師的文章
就了解,黑墊的根本原因就是鎳氧化。
目前黑墊的控制為化學槽液過程中磷(P)的含量以及金的厚度,再來就是包裝及儲存了。
磷的含量過高會導致金水攻擊鎳層,以致在鎳金戒面形成黑墊。
金層太薄蓋不住底下的鎳層於是與空氣接觸造成氧化。金層太厚不利焊接,因為金在焊接過程中與IMC無關。一般建議的金厚度為1.2~3u”。

狂人大您好,
最近公司發生一件噴錫板翻面不吃錫的問題, 我們認定錫面有問題, 廠商本來解釋是我司的迴焊爐溫度曲線設定有問題, 後來排除溫度問題後, 廠商又提到我司的錫膏是採用”錫96.5銀3.0銅0.5″, 而他的噴錫製程是採用”錫銅鎳”, 因此造成兩個系統差異, 導致焊接狀況不良! 我對這個說法並不認同, 因為噴錫製程不管是走”錫銀銅”或是”錫銅鎳”, 進到我司的板子, 基本上都是銅上有IMC合金, IMC合金上有錫, 銀與鎳的成份都是非常微量的, 不應該是造成De-Wetting的主因!
根據與技高錫膏廠的討論, 與參考板上的文章, 我更懷疑的是噴錫製程中是否有汙染, 與噴錫的厚度是否有達到低標”100u吋 or 2.54um”, 想詢問狂人大的意見, 我司是否應該要更進一步去做切片檢查噴錫厚度, 釐清這個問題呢? 或是還有沒有其他的建議呢?

P.S. 廠內也有De-Wetting的打件板, 若是狂人大不介意的話, 我也可以寄實品過去, 或者親自去拜訪一趟, 我們真的很想找出真正的問題點!!!

文揚;
如果你的目的是要跟PCB板廠求償,找第三方作切片是一定要的,最好還可以找到還沒過爐的空板,這樣才可以看出上面的噴錫厚度是否足夠。再來,已經過完第一次爐的板子也要切片看第二面的銅錫合金是否已經長到了表層,這樣就會形成拒焊。這些都得作切片,光用肉眼是很難判斷的,所以就算寄給我也很難告訴你答案,方便的話倒是可以先看看照片,如果拒焊不嚴重,也可以考慮手焊補上錫,然後用推力來判斷是否可以允收。
經費夠的話,實驗室不一定只能找一家作切片。
如果對方認為是錫膏成分搭配的問題,那第一面應該也會有拒焊的問題,如果板廠堅持,那就請對方拿出証據證實問題真的是如此。
回過頭來也要檢討看看貴司的PCB是否儲存過久,或是打完第一面後,隔太久時間才打第二面,過爐的溫度太高也不利第二面焊錫。

狂人大您好,
求償當然是一個考量的問題, 但其實我們公司更重視的是配合廠商是如何處理問題的, 就算真的是板廠的問題, 我們也願意一起去分擔這筆賠償金額(畢竟製程上沒辦法管控到及時發現, 也難辭其咎), 但是倘若廠商只是不斷的想撇清責任, 最後以勉為其難的態度賠款, 這也不是我們想要的結果, 因為這樣未來只會不斷發生這種事情, 而並沒有從根本上去解決問題!! 我們真正想要的是一個負責任的供應商, 可以一起討論解決問題呀!!

目前廠內的空板都是廠商重工後的板子, 昨天嘗試直接刷錫膏過迴焊爐, 看起來是沒有問題! 昨晚想到這樣的實驗無法抓出錫層太薄的問題, 因此我們今天會再實驗, 先以第一面過爐, 然後再刷錫膏去過第二面, 看是否能重現不吃錫的問題!! 若是可以, 就可以接著去做”重工後空板切片”與”過一次錫爐後切片”的實驗了!!

我手邊有份自己製作的報告, 可以寄給您看看, 不過我要寄到哪個信箱呢??另外, 南部這邊是否有推薦的實驗室可以做相關的切片檢驗報告?

文揚;
1. 郵件寄到researchmfg小老鼠gmail.com。
2. 南部以前似乎是找金屬研究中心,但不知道現在如何了,北部真的比較多可以找工研院或是宜特。
3. 你的態度很好,但建議你找雙方的的高層談一下,把你們的想法跟對方溝通。另外,這有時候是雙方長期配合的問題,如果你們以前不是用這樣的態度對待對方,對方應該會心存畏懼。

狂人大您好,
經過這段時間的實驗, 跟您更新一下目前調查的進度, 這批吃錫不良的板子, 經過交叉驗證, 證實確實是噴錫製程中, “錫銀銅”與”錫銅鎳”製程差異所造成! 也就是說, 當焊墊是走錫銅鎳製程時, 焊墊的熔點是227度, 而成分為”錫銀銅”的錫膏, 熔點是217度, 當迴焊爐的溫度沒有根據”錫銅鎳”去做調整時, 便容易造成大批的板子吃錫不良, 且有拒焊的現象產生!
因此未來我司在與PCB板廠的規範中, 都會將噴錫製程必須走”錫銀銅”放入標準, 避免同樣的現象再次發生, 也與您分享這個經驗 🙂

文揚;
感謝您的分享,只是你們的爐溫的peak值應該會落在240~250度C之間,是因為熔錫的時間太短,某些零件沒有達到融錫溫度所造成的嗎?

狂人大您好,小弟客戶反應鐵殼腳在走SMT時拒鍚7%不良(不好吃鍚),鐵殼是鍍

鎳50U”,目前使用庫存品,使用鍚爐試鍚都正常,請問...我該用什麼方法來

證明,我的產品是好的,不是出在我身上呢?另外我也想了解~如果是電鍍引起

的,要往哪個方向去查明,該如幫助客戶異常改善..

PS.我剛涉足這個電子業,問的問題如果..太蠢還請大大別見笑

建議實際到客戶現場去查看吃錫不良的樣品並做判斷。
卡斯;
一般來說吃錫好不好就是用烙鐵去焊看看能不能吃得上錫。
另外,一般鐵殼過回焊最大的問題是平整度不佳,以我們公司的產品來說會要求平面度在0.1mm以內,因為錫膏的厚度一般也僅在0.1mm~0.127mm之間,而且過回焊時鐵框會有形變,錫膏也會因為助焊劑揮發而減少一半的體積,造成吃不到錫的問題。
建議要澄清是那種問題?

熊大您好,後來追查結果是電鍍出問題~

鎳跟鍚原本是不大容易相容的元素,電鍍商未用適合沾鍚製程說(未打底)

但我想這應該也是他們想隱瞞什麼吧..

卡斯;
謝謝您的反饋結果。如果可以幫忙說明電鍍商如何說明電鍍問題就可以更加幫助了解問題。
關於「鎳跟鍚原本是不大容易相容的元素」,這個個人存保留意見,因為很多的板子都是用Ni來跟錫做結合的,比如說ENIG標面雖然鍍金,但是金只是起到保護氧化的作用而已,實際與錫膏起化學反應的還是Ni,最後會形成Ni3Sn4的化合物。
不過Ni如果保存的環境不佳還是會氧化,會造成吃錫問題。另外,鐵件的吸熱比較大,需要比較就的時間才能達到銲錫溫度,回焊的溫度也要注意。
電鍍如果有問題應該是有雜質或鍍層太薄吧!

熊大,

剛在查些關於吃錫不良資訊時, 看到你這篇, 但不是我要找的ENIG 部分錫縮

意外發現你這頁的圖出現在某大陸pcb廠,浮水印被切掉..
http://www.slpcb.com/Article/wqpxdianlubanlbsxb_1.html

Hung,謝謝提醒。

工作熊您好,
請教一下
敝司在客戶端為DIMM孔上錫不良
切片量測孔銅厚度,粗糙度 亦無發現異常,也無發現孔破
錫膏與零件腳 孔壁形成一個風箏型
若打EDS也無法有效分析出假設之汙染化合物(只能顯示C,H,O…這種元素)
且客戶反應其他板廠無此現象
不良率達16%…
如何繼續調查分析真因 謝謝

羊羊,
如果你的零件為DIMM連接器,而不是DIMM記憶卡,你應該是採用了PIH或PIP桶孔零件過回焊的製程,這種製程的孔洞直徑與零件的pin腳直徑有非常大的關係,一般建議焊腳直徑/通孔直徑的比率為0.5~0.8,否則容易發生填孔不足的問題。錫膏量也是個問題。
如果要查詢有無污染化合物,應該使用FTIR才比較有機會找到污染化合物,不過你確定真的是污染造成的焊錫問題?有沒有先試過使用烙鐵可否吃錫?
也許我誤會了你的問題。


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