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芯片异常脱落失效分析

2022-08-03  浏览量:55

 

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。

 

失效样品PCB表面外观检查照片

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)

 

脱落芯片脱开界面(PCB侧)形貌观察及成分分析结果

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。

 

脱落芯片脱开界面(芯片侧)形貌观察及成分分析结果

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。)

脱落芯片焊点切片后截面(PCB侧)形貌观察及成分分析

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。)

脱落芯片焊点切片后截面(芯片侧)形貌观察及成分分析

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。

 

PCB板(OK)样品焊点切片后截面形貌观察及成分分析结果

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。

 

PCB光板褪金前、后形貌观察及成分分析结果

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。

PCB光板焊盘切片后截面形貌观察及金层厚度测量结果

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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简介

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