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PCBA电迁移失效分析

2022-07-12  浏览量:152

 

引言

 

无铅化以后,由于无铅焊料的润湿性下降严重,组装缺陷率明显上升。为此,最好的办法就是提升或改善助焊剂的助焊性能。但是提升助焊性能的方法就是增加助焊剂中固体活性物质的含量,而这些活性物质往往具有较强的腐蚀性,如果焊接工艺配合不当残留在焊点周围或线路板上,常常会导致腐蚀和电迁移等可靠性问题。

 

本文以PCBA电迁移失效为例,详细介绍电迁移失效机理与分析方法,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

委托方反馈,产品在服役过程中出现功能故障,初步分析锁定在PCBA局部漏电异常, 现针对委托方提供的1pc NG样品及1pc OK样品进行测试分析,查明PCBA局部漏电异常的原因和机理。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

为了确认委托方锁定漏电位置外观是否存在异常,将失效样品及正常样品PCBA取出后,利用体视显微镜对漏电位置进行光学检查,结果如图1所示。

失效样品左、右两个漏电位置都发现疑似异物残留现象,残留异物覆盖部分焊盘表面;正常样品同样发现疑似异物残留痕迹,程度较失效样品轻微。

 

失效样品漏电位置及正常样品对应位置外观检查照片

图1. 失效样品漏电位置及正常样品对应位置外观检查照片

 

2. 绝缘电阻测试

为确认失效样品是否存在漏电异常,将漏电位置相连线路割开后,利用漏电流测试仪分别对左、右两个漏电位置进行绝缘电阻测试,结果如下。

失效样品左、右两个漏电位置绝缘电阻分别为625.9MΩ及4.820MΩ,正常情况下两处位置绝缘电阻无穷大,故失效样品确实存在漏电异常。

 

失效样品割线后左、右漏电位置

图2. 失效样品割线后左、右漏电位置

 

3. CT分析

利用CT三维断层扫描技术,对失效样品两个漏电位置进行观察分析,结果如图3所示。

左、右两个漏电位置均未观察到明显异常现象。

 

失效样品左、右两个漏电位置CT观察照片

图3. 失效样品左、右两个漏电位置CT观察照片

 

4. 表面分析

利用电子扫描显微镜对失效样品漏电位置及正常样品对应位置进行形貌观察与成分分析,结果如下。

失效样品:如图4及表1-2所示,漏电位置多处观察到Sn迁移枝晶形貌及Sn结晶形貌,说明漏电位置存在电化学迁移现象;漏电位置及周围区域发现较多助焊剂残留现象(助焊剂主要含有C、O、Sn元素),同时发现异物残留(整体图红色箭头所指)现象,异物含有异常K元素。

 

失效样品漏电位置SEM图片及EDS能谱图

图4. 失效样品漏电位置SEM图片及EDS能谱图

 

表1. 失效样品漏电位置局部成分测试结果(wt.%)

失效样品漏电位置局部成分测试结果

 

表2. 失效样品漏电位置整体成分测试结果(wt.%)

失效样品漏电位置整体成分测试结果

 

正常样品:如图5及表3-4所示,对应位置多处(局部1,局部2)观察到Sn迁移枝晶形貌及Sn结晶形貌,说明正常样品对应位置也存在电迁移现象,只是程度较失效样品轻微;通孔之间区域(局部3)较失效样品对应位置未发现明显Sn结晶形貌;成分测试结果显示,正常样品对应位置同样存在助焊剂残留现象,但未发现异常K元素存在。

 

正常样品对应位置SEM图片及EDS能谱图

图5. 正常样品对应位置SEM图片及EDS能谱图

 

表3. 正常样品对应位置局部成分测试结果(wt.%)

正常样品对应位置局部成分测试结果

 

表4. 正常样品对应位置整体成分测试结果(wt.%)

正常样品对应位置整体成分测试结果

 

5. FTIR分析

为了确认失效样品漏电位置异物成分,对失效样品漏电位置及正常样品对应位置分别进行红外光谱分析(FTIR),结果如图7所示。

FTIR测试结果显示,NG样品漏电位置异物含有脂肪酸盐成分,与阴离子表面活性剂成分相似。

 

失效样品及正常样品FTIR测试位置

图6. 失效样品及正常样品FTIR测试位置

 

失效样品漏电位置及正常样品对应位置FTIR测试谱图

图7. 失效样品漏电位置及正常样品对应位置FTIR测试谱图

 

6.v剖面分析

为了观察失效样品漏电路径,对失效样品漏电位置及正常样品对应位置分别进行切片后,利用电子扫描显微镜对截面进行形貌观察及成分分析,结果如下。

失效样品:如图8所示,切片后结果显示:①漏电位置相邻通孔之间存在大量Sn结晶,局部发现Sn枝晶形貌,表明通孔之间产生了电迁移现象;②通孔之间最小电气间隙为135μm;③右侧焊盘发现较多焊锡残留现象。

 

失效样品漏电位置切片后截面SEM形貌及EDS图谱

图8. 失效样品漏电位置切片后截面SEM形貌及EDS图谱

 

正常样品:如图9所示,切片后结果显示:①对应通孔之间未见明显金属结晶及迁移形貌,主要为助焊剂残留;②通孔之间最小电气间隙为165μm;③右侧焊盘发现少量焊锡残留现象。

 

正常样品对应位置切片后截面SEM形貌及EDS图谱

图9. 正常样品对应位置切片后截面SEM形貌及EDS图谱

 

以上结果可知,失效样品较正常样品,漏电通孔之间发现较多Sn结晶及局部Sn枝晶形貌,即存在Sn迁移,同时通孔之间最小电气间隙偏小,右侧焊盘发现较多焊锡残留现象。

 

三、总结分析

 

本案失效背景为:产品在服役过程中出现功能故障,初步分析锁定在PCBA局部漏电异常。

 

外观检查结果显示,漏电位置疑似存在异物残留现象,残留异物覆盖部分焊盘表面,正常样品对应位置存在类似现象,只是程度较轻微。

 

对失效样品漏电位置进行绝缘电阻测试,结果显示,两处漏电位置绝缘电阻分别为625.9MΩ及4.820MΩ,正常情况下两处位置绝缘电阻无穷大,故失效样品确实存在漏电异常。

 

表面分析结果显示:①失效样品漏电位置及正常样品对应位置都发现Sn迁移枝晶形貌及Sn结晶形貌,说明二者均存在电迁移现象,只是正常样品电迁移程度较轻微;②通孔之间形貌观察显示,失效样品存在明显Sn结晶现象,而正常样品未见明显异常;③失效样品漏电位置及正常样品对应位置都发现较多助焊剂残留现象,同时失效样品漏电位置及周围区域还发现异物残留现象,异物含有异常K元素。

 

为了确认异物成分,对失效样品漏电位置及正常样品对应位置进行FTIR分析,结果显示,失效样品漏电位置异物含有脂肪酸盐成分,与阴离子表面活性剂成分相似。

 

剖面分析结果显示,失效样品较正常样品,漏电通孔之间发现较多Sn结晶及局部Sn枝晶形貌,即存在Sn迁移,同时通孔之间最小电气间隙偏小,右侧焊盘发现较多焊锡残留现象。

 

以上结果可知,导致PCBA局部漏电异常的直接原因为失效样品通孔之间产生了Sn迁移现象。电迁移的产生必须具备以下几个条件:①电势差;②金属离子;③潮湿环境。失效样品通孔之间距离较正常样品偏小,相同电压条件下,具备更高的电场强度,有利于电迁移的发生;失效样品及正常样品表面都发现Sn迁移枝晶形貌,推测助焊剂具有较高活性,在潮湿环境下锡的氧化物(氧化锡)容易在酸的作用下形成锡离子;失效样品漏电位置发现了含K元素的脂肪酸盐成分,该物质与阴离子表面活性剂成分相似,推测为清洗剂残留,最可能为电迁移的发生提供潮湿环境。

 

故影响失效样品电迁移的因素包括:①漏电位置焊锡及助焊剂大量残留,为电迁移发生提供必要条件;②含K异物(脂肪酸盐)污染,促进了电迁移的发生进程。

 

四、结论与建议

 

导致PCBA局部漏电异常的直接原因为失效样品通孔之间产生了Sn迁移现象。Sn迁移的发生与通孔位置较多焊锡、助焊剂残留及含K异物(脂肪酸盐)污染有关。

 

建议:

1. 增加通孔之间距离,避免焊盘位置残留焊锡;

2. 增加清洗工艺,避免较多助焊剂及异物残留。

 

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