OSP板焊盘上锡焊接不良分析-PCB制造技术_深圳市博锐电路科技有限公司

OSP板焊盘上锡焊接不良分析

2023-01-16 13:22:42 8396 BRPCB OSP板

1. 前言

OSP表面处理工艺具有控制简单、成本低廉、表面平整等优点，越来越广泛应用于PCB生产制造中。然而，在实际生产过程中，工艺不良、产品储存或使用不当等都容易导致OSP板出现表面变色、膜厚不均匀、焊盘上锡不良、虚焊及焊锡不饱满等问题。

OSP表面处理对比其它表面处理有如下优缺点：

a. OSP表面平整均匀，有机膜厚0.2~0.5um适合SMT密间距元件的PCB；

b. OSP膜耐热冲击性能好，适合无铅工艺及单双面板加工，并与任意焊料兼容；

c. 水溶性操作，温度可控制在80 ℃以下，不会造成基板弯曲变形的问题；

d. 操作环境好，污染少，易于自动化生产线；

e. 工艺相对简单，良率高，成本较低等；

f. 缺点是形成的保护膜极薄，OSP膜容易划伤（或擦伤）；

g. PCB经过多次高温焊接后，OSP膜（指未焊接焊盘上的OSP膜）会发生变色、裂解变薄、氧化，影响可焊性和可靠性；

h. 药水配方种类多，性能不一，品质参差不齐等。

2、问题描述

在实际生产过程中，OSP板容易出现表面变色、膜厚不均匀、膜厚超差（太厚或太薄）等问题；在PCB制作的后期阶段，已成型的PCB如储存和使用不当容易出现焊盘氧化、焊盘上锡不良、不能形成牢固的焊点、虚焊及焊锡不饱满等焊接问题；SMT生产双面板第二面及锡炉焊接时容易出现回流焊接不良、焊点漏铜、外观满足不了IPC标准、锡炉焊接不良率高等问题。

3、案例分析

OSP表面处理PCB产品在SMT生产第一面时元件焊盘上锡良好，在生产第二面时出现过炉后连接器及部分位置元件焊盘上锡不良，焊料在焊盘上出现一定的反湿润和拒焊问题，如下图1。本案例中的PCB是OSP表面处理方式，SMT制程是无铅工艺，根据基本焊接原理及实际工程经验分析，拒焊及反湿润出现与PCB表面焊盘的可焊性有直接的关系。因此，本案例的分析思路是首先通过外观检查，再分别使用异丙醇(清洗IPA)和盐酸清洗不良焊盘进行可焊性对比，再借助实验室使用EDS进行成分分析等方法，找出OSP可焊性差的原因，并给出相应的改善对策。

图1 上锡不良图片

3.1 分析过程

a. 使用显微镜观察不良品，发现PCBA上存在多处润湿不良，润湿不良焊盘上呈球状、不规则网状，PCB pad呈现明确的不可焊形貌如上图1。

b. 使用异丙醇(IPA)对润湿不良焊盘进行清洗，清洗后浸入255OC锡槽5秒钟。验证目的：如为异物污染导致的不润湿，IPA清洗后可以润湿上锡。结论：IPA清洗无助于焊盘上锡，说明焊盘不上锡不是异物覆盖导致的，如图2。

图2 IPA清洗前后焊盘上锡对比

c. 使用盐酸对润湿不良焊盘清洗，清洗后浸入255OC锡槽5秒钟。验证目的：如为焊盘氧化导致的不润湿，盐酸清洗后可以润湿上锡。结论：盐酸清洗后焊锡润湿良好，说明不润湿焊盘表面存在金属氧化物，导致焊接过程中焊锡无法润湿，如图3。

图3 盐酸清洗前后焊盘上锡对比

d. 对拒焊位置做EDS分析。验证目的：对拒焊焊盘表面不良位置元素成分进行分析，确定导致上锡不良的根本原因。结论：不上锡焊盘区域铜占绝对优势，说明未被焊锡覆盖，无其它金属污染；拒焊区域焊锡边缘区域存在碳氧等元素，是焊接过程及空气中成分影响所致，如图4。

图4 不良位置EDS分析

e. PCB可焊性测试。对同周期的PCB光板及光板模拟过一次回流焊后再进行可焊性测试。验证目的：对比光板和模拟过一次回流炉后PCB可焊性的差异。结论：同周期PCB光板，焊盘上锡良好，外观符合IPC要求，如图5；经过一次回流之后OSP膜劣化减薄，PCB可焊性变差，部分焊盘润湿不良,如图6。

图5 可焊性试验同周期光板

图6 可焊焊性试验光板模拟过一次回流焊

为了确认二次回流NG批次PCB光板确实存在上锡不良现象及降低炉温后上锡性变正常，对二次回流NG批次PCB光板及降低炉温后二次回流NG批次PCB光板分别进行上锡性验证。（备注：降低炉温后回流曲线满足标准IPC 7530A-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求。）

二次回流NG批次PCB光板浸锡后，多数通孔孔环表面发现明显润湿不良现象，而降低炉温后二次回流NG批次PCB光板浸锡后，通孔孔环润湿完好。

以上结果表明：当炉温调低到标准IPC 7530A-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求的范围内时，NG批次PCB光板上锡正常，即NG批次PCB光板可焊性满足标准要求；初始炉温曲线峰值温度最高245.3℃，位于标准IPC 7530A-2017 群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）中无铅回流温度要求的上限。

3.2 综合分析结论

PCB板面存在多处拒焊现象，拒焊区域经异丙醇清洗无效，证明无异物覆盖焊盘；盐酸清洗后可以正常润湿，证明焊盘表面存在金属氧化物，该氧化层影响焊接效果；对焊盘拒焊区域做EDS成分分析，结果显示主要成分为铜、碳、氧，证明拒焊焊盘表面存在金属氧化层，无其它金属污染物及其它覆盖物；对比模拟一次回流焊的光板作可焊性验证，发现部分焊盘可焊性变差，有润湿不良的现象。

经过上面的综合分析，此案例为OSP膜厚不够及不耐多次高温导致。新拆封的OSP板保护膜完好，未出现焊盘氧化现象，焊锡润湿性良好。经过一次回流高温后OSP膜受热分解减薄，部分区域OSP膜损耗殆尽，无法有效保护焊盘铜箔导致焊盘氧化，焊接时出现拒焊现象。需要生产员工加强OSP工艺过程控制，严格管控OSP膜的厚度及均匀性。