电阻虚焊失效分析

 

引言

 

电子产品整机故障中，有将近一半是由于焊接不良引起的，最常见的焊接不良就是虚焊。虚焊是指由于焊件表面没有清除干净或焊剂用得太少以及焊接时间过短，导致焊点处没有充分上锡,造成接触不良，时通时断。本文以电阻虚焊的原因分析为例，介绍其分析方法，并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

委托方反馈，LED模组组装后功能异常，初步判断是电阻虚焊所致。

委托方提供1 pc失效LED模组。将两个疑似不良电阻命名为（NG1、NG2），相邻两个正常电阻命名（OK1、OK2），右侧正常电阻命名为OK。

实验室针对上述样品进行测试，分析电阻虚焊的产生原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

利用体视显微镜对PCBA电阻焊点进行光学检查，结果如图1所示：

NG1电阻一侧焊点明显虚焊，NG2电阻一侧端电极存在明显爬锡异常，其他电阻未见明显异常。

 

图1. PCBA电阻焊点光学检查典型照片

 

2. X-Ray分析

利用X-Ray对不良电阻样品NG1、NG2及OK样品进行透视检查，结果如图2所示：

NG1电阻一侧焊点存在明显虚焊异常，完全未润湿；NG2电阻一侧焊点存在爬锡异常，但不影响器件功能；OK电阻上锡良好，无明显异常。

 

图2. 不良电阻NG1、NG2及OK电阻X射线透视图

 

3. 表面分析

利用场发射扫描电子显微镜，对不良电阻NG1及OK电阻超声清洗去除助焊剂后和对不良电阻NG2机械剥离（清洗前后）进行观察分析，结果如下：

如图3所示，NG1不良电阻一侧端电极表面完全不润湿，底部焊接面呈典型虚焊特征。

 

图3. NG1电阻不良焊点表面形貌及EDS成分分析谱图

 

如图4所示，OK电阻上锡良好。

 

图4. OK电阻焊点表面形貌及EDS成分分析谱图

 

如图5所示， NG2不良电阻机械剥离后，端电极表面有较多异物残留，表面成分元素主要为C/O/Na/Pb/Sn元素，Na为污染元素。

 

图5. NG2电阻（未清洗）不良焊点表面形貌及EDS成分分析谱图

 

如图6所示，对NG2机械剥离后电阻及焊盘超声清洗 (丙酮清洗30min)后进行表面分析显示：

① PCB侧清洗效果良好，清洗后焊点表面洁净，焊点表面成分主要为C/O/Sn/Pb等元素成分，无异常污染；

② 电阻端电极上锡不良区域表面清洗效果不佳，仍然有大量异物残留，成分主要也是C/O/Sn/Pb等元素成分，异物C含量很高。形貌显示不上锡区域表面形貌依旧为端电极镀锡层原始形貌，黑色异物嵌于镀层之中，说明清洗不掉的黑色异物来料时便存在。

 

图6. NG2不良电阻（清洗后）焊点表面形貌及EDS成分分析谱图

 

4. FTIR分析

对（清洗前）不良电阻NG2和OK电阻焊点表面异物进行FTIR成分分析对比，结果如下：

NG2焊盘上异物与正常焊点上助焊剂成分对比无明显区别，详细见图7所示。

NG2焊盘上异物成分是三防漆与助焊剂的混合物，助焊剂在1641、1557处存在酰胺键吸收峰；电阻上异物成分是三防漆与助焊剂的混合物，助焊剂在1641、1557处存在酰胺键吸收峰。

 

图7. 不良电阻NG2焊点表面异物、OK电阻焊点表面异物FTIR谱图

 

5. 剖面分析

为了观察焊点内部状况，对电阻NG1、NG2、OK1、OK2和OK电阻进行剖面结构分析，结果如下：

NG1样品：如图8所示：①电阻一侧虚焊，端电极表面呈现完全不润湿特征，端电极镀锡层与焊料明显分离，未发生溶融，无立碑特征；②不良电阻两端焊点下锡量存在较大偏差，不良侧焊点下锡量与正常侧下锡量的比值为76.8%。

 

图8. NG1不良焊点剖面SEM+EDS分析结果

 

NG2样品：如图9所示：电阻端电极底部与焊料接触面形成正常焊接（冶金结合），但端电极侧面中上部润湿不良，焊料未爬至器件顶端。这与清洗后表面观察的现象完全一致，表面黑色物质影响了镀锡层的润湿性能。

 

图9. NG2不良焊点剖面SEM+EDS分析结果

 

OK样品：如图10所示：①电阻电极表面润湿良好；②PCB侧焊盘焊接良好，IMC生长正常；③OK电阻两侧焊盘下锡量较为均匀，电阻两端焊盘下锡量比值为98%。

 

图10. OK样品正常焊点剖面SEM+EDS分析结果

 

OK1&OK2样品：如图11所示：OK1电阻两侧焊盘下锡量较为均匀，电阻两端焊盘下锡量比值为91.3%；OK2电阻两侧焊盘下锡量较为均匀，电阻两端焊盘下锡量比值为91.1%。

 

图11. OK1、OK2电阻焊点剖面金相观察图片

 

6. 原物料分析

为了确认同批次电阻原物料端子是否存在异常，从委托方所送的50pcs同批次电阻原物料中选取2pcs（分别编号：1、2）外观较为恶劣的样品进行观察分析，结果如下：

如图12所示，光学观察显示：电阻端子底部整体发黑异常，尤其边角位置发黑更为严重（红色箭头所指）；电阻底部非焊端区域明显观察到异物污染现象。

 

图12. 电阻原物料端子底部外观检查照片

 

如图13所示，电阻1端子底部形貌观察及成分测试结果显示：端子底部存在点状异物污染现象，成分测试显示，异物含有较高的C、O元素及少量的Si元素。

 

图13. 电阻原物料（1）端子底部形貌观察照片及成分测试结果

 

如图14所示，电阻2端子底部形貌观察及成分测试结果显示：端子底部同样存在点状异物污染现象，成分测试显示，异物含有较高的C、O、Si元素及微量的Mg、Al、Cu、Cr元素；边角位置形貌异常，成分测试含有C、O、Si元素，O含量偏高。

 

图14. 电阻原物料（2）端子底部形貌观察照片及成分测试结果

 

以上结果可知，电阻原物料端子存在异物污染现象，异物主要含有C、O、Si元素。

 

7. 上锡性验证

为了确认异物是否对电阻上锡性存在影响，参考标准IPC EIA/JEDEC J-STD-002E-2017元器件引线、端子、焊片、接线柱和导线的可焊性测试对电阻端子上锡性进行验证，结果如下：

测试条件：焊料球：Sn63/Pb37； 助焊剂：#1； 浸入角度：45°；浸入速度：25mm/s；浸入时间：5s；浸入深度：＞0.10mm；锡炉温变：245℃；

测试方法：测试B - 锡/铅焊料 – 焊料槽/浸焊观察测试（无引线元器件）；

由图15所示，电子原物料端子浸焊试验后，端子底部局部位置明显观察退润湿（红色箭头所指）异常，尤其边角位置更为显著，润湿不良分布与异物分布一致。润湿不良面积小于95%，不满足标准要求。

 

图15. 电阻原物料端子浸焊测试后外观照片

 

三、总结分析

 

本案失效背景为：LED模组组装后显示功能异常，怀疑电阻存在虚焊异常。

 

外观检查显示：NG1电阻一侧明显虚焊异常，NG2电阻端电极一侧面爬锡异常，其他电阻焊点未见异常。

 

X射线透视检查：结果与外观检查结果完全一致。

 

表面分析显示：清洗后电阻端电极上锡不良区域表面仍然有大量黑色异物残留，成分主要也是C/O/Sn/Pb等元素成分，异物C含量很高；发现不上锡区域表面锡面形貌依旧为端电极镀锡层原始形貌，黑色异物嵌于镀层之中，说明清洗不掉的黑色异物来料时便存在。

 

剖面分析显示：①NG1不良电阻一侧虚焊，端电极表面呈现完全不润湿特征，端电极镀锡层与焊料明显分离，未发生溶融，但无立碑特征；

②不良电阻两端焊盘下锡量存在较大偏差，不良侧焊点下锡量与正常侧下锡量的比值为76.8%。

③NG2不良电阻端电极底部与焊料接触面形成正常焊接（冶金结合），但端电极侧面中上部润湿不良，焊料未爬至器件顶端，这应该与清洗后的表面观察现象完全一致，表面黑色物质影响了镀锡层的润湿性能。

 

电阻两端下锡量对比显示：焊接正常电阻两侧下锡量比值为91.1%~98%，锡量较为均匀。NG1不良电阻两侧下锡量比值仅为76.8%，预示着钢网印刷工艺可能不稳定。

 

电阻原物料分析显示：电阻原物料端子存在异物污染现象，尤其边角区域更为严重，成分测试显示，异物主要含有C、O、Si元素。电阻原物料上锡性验证结果显示：浸焊试验后，电阻端子底部局部位置明显观察退润湿异常，尤其边角位置更为显著，润湿不良分布与异物分布一致。润湿不良面积小于95%，不满足标准要求。

 

从以上分析结果可以看到，器件端子润湿不良与表面污染存在极强的相关性，即器件端子表面污染是导致上锡不良的主因。同时，注意到上锡不良器件两端锡膏量不同，这会改变工艺适应性，在一定程度上会放大问题的严重性，属于次要因素。

 

四、结论与建议

 

电阻虚焊、爬锡不良的主要因素是电阻端电极表面存在异常污染。上锡不良器件两端的锡量不同，在一定程度上改变了器件工艺适应性，进一步凸显了该问题。建议在失效率较低的情况下，优先拓宽工艺窗口，提升兼容性。

 

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