引言

PCB的焊盘表面经化镍浸金工艺处理后，具有平整度高、接触电阻低、耐磨性、耐热性好及贮存时间长等优点；缺点在于容易产生黑盘，黑盘的隐蔽性易使得不合格品流入客户端，并在装配后导致元器件焊点强度不足，最终致使产品功能失效。

本文以芯片异常脱落失效为例，通过外观检查、形貌观察、成分分析、切片分析等方法，分析其失效原因与机理，并提出改善建议。

一、案例背景

PCB经贴板至后工序组装，发现芯片脱落，焊盘光滑，残锡很少。现进行测试分析，查找芯片脱落的原因。

二、分析过程

1. 外观检查

随机抽取脱落PCB及脱落芯片，利用体视显微镜对脱落芯片分离界面进行光学检查，结果如下：

如图1所示，芯片焊点脱落界面平整，焊锡主要残留于芯片侧，焊盘侧光滑，残锡较少；脱落焊点周围疑似助焊剂残留迹象，脱落界面未见明显异物残留。

图1. 失效样品PCB表面外观检查照片

2. 表面分析

利用场发射扫描电子显微镜对芯片焊点脱开界面（PCB侧及芯片侧）进行形貌观察及成分分析，结果如下。

PCB侧：如图2所示，脱开界面PCB侧形貌观察及成分分析结果显示：①多数焊点脱开界面位于靠PCB侧IMC与Ni-P层之间，脱开界面平整，呈现脆性断裂特征；②放大后，焊盘表面疑似轻微Ni腐蚀裂纹存在；③引脚焊盘局部金层未溶，说明焊盘润湿性较差；④个别焊点脱开界面位于靠芯片侧IMC与焊锡之间，界面形貌未见明显异常；⑤所有脱开界面未见明显异常元素存在。

6个焊点脱落界面靠PCB焊盘侧（红色箭头所指），3个焊点脱落界面靠芯片引脚侧（黄色箭头所指）

图2. 脱落芯片脱开界面（PCB侧）形貌观察及成分分析结果

芯片侧：如图3所示，脱开界面芯片侧形貌观察及成分分析结果显示：①多数引脚发现明显残锡，即脱开界面靠PCB侧；②放大后，引脚底部局部含有较高O、Sn元素及少量的C、Na、Cl、K、Ni元素，推测助焊剂残留及人为污染；③个别引脚脱开界面靠芯片引脚侧，放大后，形貌及成分未见明显异常。

图3. 脱落芯片脱开界面（芯片侧）形貌观察及成分分析结果

以上结果可知，芯片多数焊点脱开界面靠PCB侧IMC与Ni-P之间，脱开界面平整，呈现脆性断裂特征；放大后，焊盘表面疑似轻微Ni腐蚀裂纹存在；个别引脚焊盘局部金层未溶，说明焊盘润湿性较差。少数焊点脱开界面位于靠引脚侧焊锡与IMC之间，界面形貌及成分未见明显异常。

3. 剖面分析

利用场发射扫描电子显微镜对脱落芯片（PCB侧及芯片侧）及PCB板（OK）样品切片后截面进行形貌观察及成分分析，结果如下。

PCB侧：如图4所示，形貌观察及成分分析结果显示：①焊点脱开界面主要位于靠PCB侧IMC与Ni-P之间，脱开界面平整，呈脆性断裂特征，结果与表面分析一致；②脱开界面放大后，局部发现镍腐蚀现象；③靠PCB侧未脱开位置，IMC形貌异常，厚度在0.993μm~1.34μm，局部厚度偏薄，同样存在脱开风险。

（备注：行业一般要求，镍锡IMC厚度在1-3μm，才具有较好的焊接强度。）

图4. 脱落芯片焊点切片后截面（PCB侧）形貌观察及成分分析

芯片侧：如图5所示，形貌观察及成分分析结果显示：①焊锡主要残留芯片引脚侧，脱开界面平整，呈脆性断裂特征；②脱开界面放大后，IMC形貌异常，局部无明显IMC生成，即IMC生成不连续；③成分测试显示，IMC主要含有Sn、Cu元素及少量的C、O、Ni元素，说明IMC主要为铜锡合金化合物，成分异常。

（备注：靠PCB侧的脱开界面，只有焊锡与镍层生成连续、均匀，厚度合适的镍锡IMC,才能保证PCB侧具有较好的焊接强度。）

图5. 脱落芯片焊点切片后截面（芯片侧）形貌观察及成分分析

PCB板（OK）：如图6所示，焊点截面形貌观察及成分分析结果显示：①焊点未见明显脱开异常；②芯片侧IMC生成形貌正常，厚度平均2.41μm，厚度均匀正常；③PCB侧IMC生成形貌异常，厚度极不均匀，厚度平均值0.926μm，厚度偏薄，故PCB板（OK）焊点靠PCB侧同样存在开裂风险。

图6. PCB板（OK）样品焊点切片后截面形貌观察及成分分析结果

以上结果可知，芯片焊点脱开界面主要位于靠PCB侧IMC与Ni-P层之间，脱开界面平整，呈脆性断裂特征；该脱开界面，IMC生成形貌、成分异常，局部无明显IMC生成，即IMC生成不连续，故靠PCB侧界面无法形成正常的冶金结合层，最终导致焊点异常脱开。PCB板（OK）样品PCB侧界面，IMC形貌异常，厚度不均匀，厚度偏薄，同样存在开裂的风险。

4. PCB光板分析

利用场发射扫描电子显微镜对PCB光板焊盘表面及截面进行形貌观察及成分分析，结果如下：

表面分析：如图7所示，焊盘表面形貌观察及成分分析结果显示：①褪金前，焊盘表面探测到C、O、P、Au、Ni元素，未见异常元素存在；②褪金后，镍层表面局部发现轻微腐蚀裂纹现象。

图7. PCB光板褪金前、后形貌观察及成分分析结果

剖面分析：如图8所示，焊盘切片后截面形貌观察及成分分析显示：①焊盘镀层局部位置发现明显镍腐蚀现象，局部发现连续性镍腐蚀形貌；②金层厚度22.5nm~27.9nm，厚度偏薄；③镍层P含量为6.7wt%，属低磷范围。

备注：IPC-6012C-2010 刚性印制板的鉴定及性能规范标准中要求，ENIG焊盘浸金层厚度最小50nm。

图8. PCB光板焊盘切片后截面形貌观察及金层厚度测量结果

三、总结分析

首先对芯片脱落界面进行光学检查，结果显示：芯片焊点脱落界面平整，焊锡主要残留于芯片侧，焊盘侧光滑，残锡较少；脱落焊点周围疑似助焊剂残留迹象，脱落界面未见明显异物残留。

脱开界面表面分析结果显示：芯片多数焊点脱开界面靠PCB侧IMC与Ni-P之间，脱开界面平整，呈现脆性断裂特征，脱开界面未见明显异常元素存在；放大后，焊盘表面疑似轻微Ni腐蚀裂纹存在；个别引脚焊盘局部金层未溶，说明焊盘润湿性较差。少数焊点脱开界面位于靠引脚侧焊锡与IMC之间，界面形貌及成分未见明显异常。

脱开界面剖面分析结果显示：芯片焊点脱开界面主要位于靠PCB侧IMC与Ni-P层之间，脱开界面平整，呈脆性断裂特征；该脱开界面，IMC生成形貌、成分异常，局部无明显IMC生成，即IMC生成不连续，故靠PCB侧界面无法形成正常的冶金结合层，最终导致焊点异常脱开。PCB板（OK）样品PCB侧界面，IMC形貌异常，厚度不均，厚度平均值0.926μm，厚度偏薄，同样存在开裂的风险。

PCB光板分析结果显示：①褪金前，焊盘表面探测到C、O、P、Au、Ni元素，未见异常元素存在，褪金后，镍层表面局部发现轻微腐蚀裂纹现象；②焊盘切片后截面局部位置发现明显镍腐蚀现象，局部发现连续性镍腐蚀形貌；③金层厚度22.5nm~27.9nm，厚度偏薄；④镍层P含量为6.7wt%，属低磷范围。

四、结论与建议

芯片异常脱落的原因主要为靠PCB侧IMC生成异常所致，表现为IMC形貌、成分异常，厚度不均，厚度偏薄，导致界面无法形成正常的冶金结合层，最终导致焊点异常脱开。

IMC生成异常主要与PCB光板镀层质量有关：①镍层存在腐蚀异常；②金层厚度偏薄。

建议：

1. 严格管控PCB化镍浸金工艺制程，避免镍层腐蚀异常；

2. 适当提高PCB焊盘金层厚度。

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