焊点脆性开裂失效分析

 

引言

 

微系统封装技术的小型化、多功能化和绿色化发展趋势使得IMC对焊点可靠性的影响越来越显著。IMC 太薄不能保证足够的焊接强度，太厚则会引起焊点中的微裂纹萌生。当其厚度超过某一临界值时，就会表现出脆性，使焊点在服役过程中会经历周期性的应变而导致失效。

 

本文以FPCB器件脱落失效为例，通过形貌观察、表面分析、切片分析等方法，分析其焊点开裂失效机理与原因，并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

FPCB产品装配环节发现器件脱落失效，焊点承受强度很低。现进行测试分析，查找FPCB器件脱落的原因。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

利用体视显微镜对FPCB成品电阻位置及其他LED位置进行光学检查。

失效成品电阻位置发现脱落现象，脱开界面平整，呈现脆性断裂特征；焊锡主要残留于电阻侧，初步排除电阻端子上锡不良影响；其他LED位置同样发现器件脱落现象，脱开界面特征与电阻类似，为典型脆性断裂失效。

同批次未脱落成品，电阻焊点成型完好，未见明显润湿不良现象，排除器件焊端及FPC焊盘润湿不良对器件脱落的影响。

 

2. 表面分析

利用场发射扫描电子显微镜对失效样品器件脱落界面进行观察分析，结果如下：

如图1所示，电阻脱开界面观察结果显示：①脱开界面平整，呈脆性断裂特征；②FPC侧主要成分为C、O、P、Sn、Ni元素，局部点状异物还含有少量的Na、Cl、K元素，初步推测脱落界面位于靠FPC侧富P层表面，局部点状异物主要为界面脱开后人为污染所致；③器件侧主要成分为C、O、Ag、Sn、Ni、Cu元素，局部点状异物还含有Na、Cl元素，推测脱开界面位于靠FPC侧IMC位置，局部点状异物主要为界面脱开后人为污染所致。

 

图1. NG1#电阻脱落界面SEM图片及EDS能谱图

 

如图2所示，其他LED位置界面观察结果显示：LED焊点脱落界面平整，呈脆性断裂特征，与电阻脱落界面形貌类似；FPC侧主要成分为C、O、P、Sn、Ni元素，与电阻脱开界面成分类似，推测脱落界面位于靠FPC侧富P层表面。

 

图2. NG1#其他LED位置脱落界面SEM图片及EDS能谱图

 

以上结果可知，焊点脱开界面主要位于FPC侧富P层与IMC层之间，脱开界面平整，呈脆性断裂特征；脱开界面位置除正常元素外，局部位置点状异物还含有少量的Na、Cl、K元素，推测为界面脱开后人为污染所致。后续借助切片分析手段对脱开界面特征进一步分析确认。

 

3. 剖面分析

对NG1#电阻脱落界面及其他LED脱落界面、同批次未脱落样品（OK1#）电阻位置切片后，利用SEM+EDS对截面进行观察分析，结果如下：

NG1#（脱落电阻位置）：如图3所示，切片结果显示：①电阻脱开界面位于靠FPC侧富P层与IMC之间，脱开界面平整，呈脆性断裂特征；②FPC侧富P层偏厚；③脱开界面处IMC大面积呈针状形貌，形貌异常，IMC平均厚度偏厚；④成分测试显示，IMC主要成分为镍锡化合物，局部位置发现点状金锡化合物，金锡化合物一定程度上增加了界面脆性，但不是导致焊点脱开的主要原因。

 

图3. NG1#脱落电阻位置切片后截面SEM+EDS分析

 

NG1#（其他脱落LED位置）：如图4所示，切片结果显示：①LED焊点脱开界面同样位于靠FPC侧富P层表面，脱开界面平整，呈脆性断裂特征，与电阻脱开界面特征一致；②FPC侧焊盘富P层生成厚度平均为1.24μm，富P层偏厚。

 

图4. NG1#其他LED位置切片后截面SEM形貌观察及富P层厚度测量

 

OK1#（未脱落电阻位置）：如图5所示，切片结果显示：FPC侧多处IMC形貌异常，呈针状特征，局部IMC呈现“无根”形貌特征；FPC侧IMC及富P层厚度均偏厚；成分测试显示，IMC主要成分为镍锡化合物，局部位置发现点状金锡化合物，金锡化合物一定程度上增加了界面脆性。

 

图5. OK1#脱落电阻位置切片后截面SEM+EDS分析

 

以上结果可知，失效样品脱落界面位于FPC侧富P层与IMC之间，脱落界面平整，呈脆性断裂特征；IMC形貌异常，呈针状特征；IMC平均厚度及富P层平均厚度偏厚。富P层及IMC都呈脆性，二者厚度偏厚时，将导致界面脆性增加，最终导致焊点脆性断裂，故富P层及IMC厚度偏厚、IMC形貌异常是导致焊点脆性脱开的主要原因。界面镍锡IMC位置发现异常金锡化合物，也在一定程度上增加了焊点的脆性，但不是导致焊点脱开的主要原因。

同批次未脱落成品，FPC侧IMC形貌及厚度、富P层厚度与失效样品类似，同样存在脆性脱开风险。

 

4. FPC光板镀层分析

富P层偏厚、IMC形貌异常、IMC厚度偏厚主要与以下因素有关：①焊接热输入过量；②FPC侧镍层P含量偏高；③FPC镍层异常，如致密度偏低。

为了确认FPC焊盘镀层是否异常，随机选取两片FPC光板（分别命名为：FPC-1#、FPC-2#），分别对其镀层进行表面观察及剖面分析，结果如下：

表面观察：如图6示，FPC光板焊盘褪金后，镍层表面呈现细小龟裂状裂纹形貌。

 

图6. 同批次FPC光板焊盘表面褪金前后形貌观察照片

 

剖面分析：如图7示，FPC光板焊盘切片及CP处理后，截面形貌观察及成分分析结果显示：①镍表层形貌异常，呈疏松状结构；②金层平均厚度为77.7nm，厚度满足标准IPC-4552A-2017 印制板化学镀镍/浸金（ENIG)镀覆性能规范对镀金层厚度的要求；③镍层P含量在6.3wt%~7.0wt%之间，排除镍层P含量偏高的影响。

 

图7. 同批次FPC光板焊盘切片及CP处理后截面形貌观察及成分分析结果

 

以上结果可知，FPC光板焊盘镍表层形貌异常，呈疏松状结构，推测镍层致密度较低。

 

5. Profile曲线分析

为了确认焊接回流温度设置是否合理，对图8profile曲线进行分析，结果如下：

#10曲线对应的峰值温度超出标准IPC 7530A-2017群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）对无铅焊接峰值温度要求范围，其他曲线峰值温度接近标准要求上限，存在焊接热输入偏大的风险。

 

图8. profile曲线

 

三、总结分析

 

外观检查发现：失效成品电阻器件脱落，脱开界面平整，呈现脆性断裂特征；焊锡残留于电阻侧，电阻端子润湿完好，排除电阻端子上锡不良影响；其他LED器件同样发现脱落异常，脱开界面特征与电阻类似，为典型脆性断裂失效。同批次未脱落成品，电阻焊点成型完好，未见明显润湿不良现象。

 

表面分析结果显示：焊点脱开界面主要位于FPC侧富P层与IMC层之间，脱开界面平整，呈脆性断裂特征；脱开界面位置除正常元素外，局部位置点状异物还含有少量的Na、Cl、K元素，推测为界面脱开后人为污染所致。

 

剖面分析结果显示：失效样品脱落界面位于FPC侧富P层与IMC之间，脱落界面平整，呈脆性断裂特征，切片结果与表面分析结果一致；IMC形貌异常，呈针状特征；IMC平均厚度及富P层平均厚度偏厚；成分测试显示，IMC主要成分为镍锡化合物，局部位置发现点状金锡化合物。

 

富P层及IMC都呈脆性，二者厚度偏厚时，将导致界面脆性增加，最终导致焊点脆性断裂，故富P层及IMC厚度偏厚、IMC形貌异常是导致焊点脆性脱开的主要原因。界面镍锡IMC位置发现异常金锡化合物，也在一定程度上增加了焊点的脆性，但不是导致焊点脱开的主要原因。

 

同批次未脱落成品，FPC侧IMC形貌及厚度、富P层厚度与失效样品类似，同样存在脆性脱开风险。

 

富P层偏厚、IMC形貌异常、IMC厚度偏厚主要与以下因素有关：①焊接热输入过量；②FPC侧镍层P含量偏高；③FPC镍层异常，如致密度偏低。

 

FPC光板镀层分析结果显示：P含量无偏高现象，排除Ni层中P含量偏高对富P层生成过厚的影响；焊盘Ni表层形貌异常，呈疏松状结构，推测镍层致密度存在偏低现象；金层平均厚度正常。

 

Profile温度曲线可知，#10曲线对应的峰值温度超出标准IPC 7530A-2017群焊工艺温度曲线指南（再流焊和波峰焊）对无铅焊接峰值温度要求范围，其他曲线峰值温度接近标准要求上限，存在焊接热输入偏大的风险。

 

综上所述，FPCB电阻脱开的直接原因为FPC侧富P层、IMC层生成过厚及IMC形貌异常，使焊接界面脆性增加，IMC界面处金锡化合物在一定程度上可以加剧放大该问题，最终导致焊点脆性断开。根本原因为主要与FPC镍层异常有关（镍表层形貌异常，呈疏松状结构），另外Profile峰值温度偏上限，存在焊接热输入偏大的风险，在一定程度上促进了IMC及富P层的生成。

 

四、结论与建议

 

FPC连接器焊点脱落的原因为界面结构异常：FPC焊盘侧富磷层、IMC层生成过厚及IMC形貌异常，使焊接界面脆性增加，IMC界面处金锡化合物在一定程度上可以加剧放大该问题，最终导致焊点脆性开裂。

 

改善建议

1. 增加FPC来料检验，重点关注镍层形貌是否异常；

2. 调节炉温曲线（适当降低峰值温度或缩短回流时间），减少热输入。

 

*** 以上内容均为原创，如需转载，请注明出处 ***

 

简介

MTT（美信检测）是一家从事检测、分析与技术咨询及失效分析服务的第三方实验室，网址：www.mttlab.com，联系电话：400-850-4050。