服務(wù)器板DIMM孔爬錫高度關(guān)鍵影響因子研究

李小海 邱成偉 王曉檳

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 516029）

0 前言

在服務(wù)器用印制電路板（PCB）中裝有一種雙列直插內(nèi)存模塊（DIMM，Dual Inline Memory Modules），而DIMM孔焊接不良會導(dǎo)致焊點(diǎn)錫裂從而影響元器件松動或掉落風(fēng)險，進(jìn)而影響電子元器件與PCB板的可靠性。按照IPC—A—610G《電子組件的可接受性》標(biāo)準(zhǔn)：鍍通孔波峰焊接后垂直透錫高度要求為透錫飽滿達(dá)到100%透錫率，可接受次級標(biāo)準(zhǔn)透錫高度達(dá)到75%以上（2級標(biāo)準(zhǔn)），如果鍍通孔垂直透錫高度小于75%，則稱之為爬錫不良。然后在實(shí)際的客戶端波峰焊接后的產(chǎn)品由于無法采取切片的方式準(zhǔn)確測量，因此唯有通過X-Ray暗影透視設(shè)備進(jìn)行波峰焊接后的檢測，如果孔內(nèi)焊接空洞小于圓柱體面積的50%，則可判定為允收，反之則判定為不良品，文章針對服務(wù)器板表面處理OSP（有機(jī)可焊性保護(hù)劑）工藝關(guān)鍵影響因子進(jìn)行分析并提出改善的方法。

1 失效案例闡述

1.1 客戶端反映問題

客戶端在完成波峰焊接后，對內(nèi)存槽DIMM孔焊點(diǎn)進(jìn)行X-Ray觀察，發(fā)現(xiàn)內(nèi)存槽DIMM內(nèi)存在焊料填充不飽滿的現(xiàn)象，較多的鍍通孔出現(xiàn)較大的空洞（如圖1所示），已經(jīng)超出了允收標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 X-Ray觀察DIMM孔焊點(diǎn)空洞圖

客戶端X-Ray觀察到的不良品通過金相切片分析和掃描電子顯微鏡（SEM）分析，發(fā)現(xiàn)填充不飽滿的DIMM鍍通孔焊料已爬升至元件面，即從表觀看無上錫不良，均為孔中央存在空洞；且在沒有大空洞的鍍通孔內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有小空洞，而小空洞主要靠近孔壁，焊料和元件插件引腳之間潤濕良好，焊料和焊腳之間界面未發(fā)現(xiàn)有小空洞分布，如圖2所示。

圖2 金相切片觀察圖

1.2 深入觀察

（1）將有大空洞的半個焊點(diǎn)的引腳和焊料進(jìn)行機(jī)械分離，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)中孔壁和引腳均被焊料潤濕，只發(fā)現(xiàn)一個引腳焊點(diǎn)上局部孔壁呈現(xiàn)銅的顏色。

（2）研磨不良品的其他內(nèi)存插槽鍍通孔，發(fā)現(xiàn)X-Ray中無明顯填充不飽滿的鍍通孔中也有空洞，且這些鍍通孔中發(fā)現(xiàn)有鉆孔粗糙度過大的現(xiàn)象，孔粗大于34 μm。按要求多層板孔壁粗糙度應(yīng)小于20 μm，雙面板則小于25 μm。

（3）掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，發(fā)現(xiàn)鍍通孔中爬錫不飽滿的空洞位置孔銅表面有一層厚度約0.4 μm的金屬間化合物（IMC），相比于有焊料覆蓋的孔壁位置金屬間化合物（IMC厚度約1.1 μm）明顯薄很多；空洞位置引腳表面也有一層焊料，焊料的厚度約3.3 μm，IMC的厚度約0.6 μm，和有焊料覆蓋的引腳位置的IMC厚度差異不明顯。如圖3所示。

圖3 SEM觀察IMC圖

（4）對機(jī)械分離后的引腳表面和孔壁進(jìn)行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)引腳表面有一層焊料覆蓋?？妆谏弦脖缓噶细采w，還有一些污染物明顯是粘附在孔壁上，且從能譜（EDS）結(jié)果來看（如表1所示），在孔壁上粘附的部分有機(jī)物內(nèi)檢測到Cl（氯元素），而PCB光板的OSP膜中含有特征元素就是Cl（氯元素），波峰焊接的助焊劑殘留物中無Cl，因此推斷該孔壁上的有機(jī)物中含有未被助焊劑溶解的OSP膜。

表1 各物質(zhì)能譜EDS分析成分表（%）

1.3 焊接試驗(yàn)

參照IPC J-STD—003B 2007 Test C1（漂錫），將與在客戶端失效品相同印制電路板生產(chǎn)周期的未焊接光板5塊進(jìn)行可焊性測試。焊接后對試樣進(jìn)行外觀、X-Ray、金相切片檢查。

5塊板上僅有1塊板的內(nèi)存插槽DIMM孔內(nèi)無大空洞現(xiàn)象，其余4塊表面孔口（觸錫焊接面）均有不同數(shù)量的空心焊料球，且X-Ray觀察多個引腳孔內(nèi)也有大空洞。4塊有大空洞的板上，其中1塊板的焊點(diǎn)空洞數(shù)量特別多，經(jīng)切片分析發(fā)現(xiàn)，該樣品上有孔銅破裂、孔壁粗糙度過大現(xiàn)象，最大孔粗70 μm，如圖4所示。

圖4 焊接后切片圖

1.4 OSP膜厚測量

對失效品同周期的PCB 光板的內(nèi)存插槽DIMM孔做離子切割后，對孔壁上的OSP膜進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)OSP膜厚度在0.086 μm～0.31 μm（如圖5所示），要求0.2 μm～0.5 μm。

圖5 OSP膜厚度圖

2 失效原因分析及改善方案擬定

通過對失效品的綜合分析，同時在客戶端經(jīng)過驗(yàn)證，在過波峰焊前通過先手涂一次助焊劑貫孔，再進(jìn)行波峰焊接可以有效地提高DIMM孔爬錫高度，助焊劑可幫忙溶解OSP膜和清除銅面輕微氧化，因此針對失效模式最終確定了3個影響因子，如表2所示，分別是孔壁粗糙度的影響、孔銅折鍍（鍍覆銅不良）的影響、OSP膜的潤濕性差與助焊劑不匹配，因此針對3個影響因子做進(jìn)一步改善研究。

表2 失效影響因子與改善方案表

3 改善效果驗(yàn)證

3.1 孔壁粗糙度改善

3.1.1 驗(yàn)證措施

鉆孔固定參數(shù)：鉆孔機(jī)臺“大族品牌”鉆機(jī)生產(chǎn)，2 PNL/疊；鉆頭廠商“HL”，壽命1 000孔/更換，使用研磨一次鉆頭。

驗(yàn)證板：服務(wù)器產(chǎn)品10層板，中Tg板材；孔數(shù)1 000，做6塊板子驗(yàn)證。

鉆孔參數(shù)：選擇本廠原參數(shù)F鉆速2.5 m/min、S進(jìn)刀速70 kr/min、U退刀速18 kr/min。

跳鉆程式：DIMM孔鉆帶設(shè)計2.76 mm孔邊距跳鉆，而非傳統(tǒng)的排序鉆孔，如圖6所示。

圖6 鉆孔程式圖

3.1.2 驗(yàn)證結(jié)果

抽取每塊板最后2個孔做金相切片，測孔壁粗糙度，相關(guān)見表3和圖7所示。

表3 孔粗測試數(shù)據(jù)表（單位：μm）

圖7 跳鉆與不跳鉆孔壁差別圖

顯然從試驗(yàn)的結(jié)果中得出，在基于跳鉆的方式前提下，鉆孔內(nèi)存插槽DIMM孔使用研一鉆頭，鉆刀壽命設(shè)定1000孔，且鉆孔參數(shù)選擇F鉆速：2.5 m/min、S進(jìn)刀速：70 kr/min、U退刀速：18 kr/min這一套鉆孔參數(shù)可以得到更可靠的品質(zhì)，孔壁粗糙度均小于25 μm。

3.2 折鍍（鍍覆銅不良）改善

傳統(tǒng)工藝流程：……多層壓合→鉆孔→除膠渣/沉銅→整板電鍍→外層圖形→圖形電鍍→堿性蝕刻/褪膜/褪錫→外層AOI檢查→阻焊印刷……

改善折鍍（鍍覆銅不良）流程：……多層壓合→鉆孔→除膠渣/沉銅→整板電鍍→【沉銅（第二次沉銅不過除膠）→整板電鍍】→外層圖形→圖形電鍍→堿性蝕刻/褪膜/褪錫→外層AOI檢查→阻焊印刷……

改善后兩次沉銅封閉孔內(nèi)基材，改善后無孔內(nèi)基材水汽產(chǎn)生，折鍍（鍍覆銅不良）消除，如圖8所示。

圖8 改善折鍍（鍍覆銅不良）圖

3.3 OSP膜驗(yàn)證

使用3家不同OSP藥水，分別為A-LS、B-HZ、C-CF，驗(yàn)證OSP膜潤濕性。測試板有大銅面與線路兩種，如圖9所示，經(jīng)正常流程涂覆OSP膜。

圖9 OSP測試板圖

3.3.1 回流焊測試

B-HZ板在經(jīng)過1次和2次回流焊后出現(xiàn)圈印，3次回流焊后出現(xiàn)嚴(yán)重變色；A-LS和C-CF的測試片經(jīng)過5次回流焊后，外觀仍然均勻，隨回流焊次數(shù)增加而逐漸變深，屬于正常OSP的表現(xiàn)。

3.3.2 錫膏擴(kuò)散測試

在測試板上印刷不同間距的錫膏，點(diǎn)算2次和3次回流焊后有多少錫膏點(diǎn)能橋接在一起，使用錫膏為 Alpha CVP 390。

2次回流焊后測試片A-LS的橋接數(shù)目最多,代表A在2次回流焊的錫擴(kuò)散能力比B和C要好。3次回流焊后仍然測試片A的橋接數(shù)目最多,代表A在3次回流焊的錫擴(kuò)散能力比B和C要好。證明A-LS廠商藥水最佳。

對A-LS的OSP做潤濕平衡測試，從0次、2次、3次回流焊所有焊點(diǎn)表面浸潤濕能力測試結(jié)果均達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 改善結(jié)果

鉆孔使用跳鉆的方式并選擇最佳的鉆孔參數(shù)有效地改善了孔壁粗糙度過大的問題；同時電鍍制程采用二次沉銅/全板電鍍的方式封閉基材，防止波峰焊時基材中窩藏的氣體逸出；配合選用潤濕性最佳的抗氧化OSP藥水，三者結(jié)合，DIMM爬錫高度不足的問題得以解決。

4 結(jié)論

（1）對客戶端產(chǎn)生不良的失效樣品上的DIMM孔進(jìn)行切片分析，發(fā)現(xiàn)有大空洞的焊點(diǎn)上有孔壁粗糙度過大、孔銅折鍍（鍍覆銅不良）、OSP膜未完全溶解的現(xiàn)象。折鍍（鍍覆銅不良）的問題會導(dǎo)致波峰焊接時，孔壁基材內(nèi)窩藏的潮氣、基材分解的小分子氣體從孔破位置逸出，導(dǎo)致孔內(nèi)產(chǎn)生氣泡。而折鍍（鍍覆銅不良）的問題可以通過二次沉銅+二次全板電鍍的方式改善，可以有效地封閉基材，避免潮氣逸出產(chǎn)生氣泡。

（2）正常情況下，在波峰焊接過程中，抗氧化OSP膜會被完全溶解，并且過程中放出的大部分氣體會從焊料中溢出。但當(dāng)OSP的性能較差時，則容易提前烤至過度造成無法溶解，另外散錫性能、潤濕性較差的皮膜也不利于錫漿的爬升，因此需要使用潤濕性能更佳的OSP藥水。

（3）孔壁粗糙度是影響孔型和OSP膜沉積的重要因素，因此密集的DIMM類型鉆孔因優(yōu)先選擇跳鉆的方式增加鉆頭散熱時間及粉塵排屑時間，可有效改善孔壁加工質(zhì)量。