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焊点脆性开裂失效分析

2022-09-15  浏览量:51

 

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。

 

NG1#电阻脱落界面SEM图片及EDS能谱图

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。

 

NG1#其他LED位置脱落界面SEM图片及EDS能谱图

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。

 

NG1#脱落电阻位置切片后截面SEM+EDS分析

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。

 

NG1#其他LED位置切片后截面SEM形貌观察及富P层厚度测量

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。

 

OK1#脱落电阻位置切片后截面SEM+EDS分析

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。

 

同批次FPC光板焊盘表面褪金前后形貌观察照片

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。

 

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

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。

 

profile曲线

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。

 

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