引言

 

微系統(tǒng)封裝技術(shù)的小型化、多功能化和綠色化發(fā)展趨勢使得IMC對焊點(diǎn)可靠性的影響越來越顯著。IMC 太薄不能保證足夠的焊接強(qiáng)度，太厚則會引起焊點(diǎn)中的微裂紋萌生。當(dāng)其厚度超過某一臨界值時，就會表現(xiàn)出脆性，使焊點(diǎn)在服役過程中會經(jīng)歷周期性的應(yīng)變而導(dǎo)致失效。

 

本文以FPCB器件脫落失效為例，通過形貌觀察、表面分析、切片分析等方法，分析其焊點(diǎn)開裂失效機(jī)理與原因，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

FPCB產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)器件脫落失效，焊點(diǎn)承受強(qiáng)度很低?，F(xiàn)進(jìn)行測試分析，查找FPCB器件脫落的原因。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

利用體視顯微鏡對FPCB成品電阻位置及其他LED位置進(jìn)行光學(xué)檢查。

失效成品電阻位置發(fā)現(xiàn)脫落現(xiàn)象，脫開界面平整，呈現(xiàn)脆性斷裂特征；焊錫主要?dú)埩粲陔娮鑲?cè)，初步排除電阻端子上錫不良影響；其他LED位置同樣發(fā)現(xiàn)器件脫落現(xiàn)象，脫開界面特征與電阻類似，為典型脆性斷裂失效。

同批次未脫落成品，電阻焊點(diǎn)成型完好，未見明顯潤濕不良現(xiàn)象，排除器件焊端及FPC焊盤潤濕不良對器件脫落的影響。

 

2. 表面分析

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對失效樣品器件脫落界面進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如下：

如圖1所示，電阻脫開界面觀察結(jié)果顯示：①脫開界面平整，呈脆性斷裂特征；②FPC側(cè)主要成分為C、O、P、Sn、Ni元素，局部點(diǎn)狀異物還含有少量的Na、Cl、K元素，初步推測脫落界面位于靠FPC側(cè)富P層表面，局部點(diǎn)狀異物主要為界面脫開后人為污染所致；③器件側(cè)主要成分為C、O、Ag、Sn、Ni、Cu元素，局部點(diǎn)狀異物還含有Na、Cl元素，推測脫開界面位于靠FPC側(cè)IMC位置，局部點(diǎn)狀異物主要為界面脫開后人為污染所致。

 

圖1. NG1#電阻脫落界面SEM圖片及EDS能譜圖

 

如圖2所示，其他LED位置界面觀察結(jié)果顯示：LED焊點(diǎn)脫落界面平整，呈脆性斷裂特征，與電阻脫落界面形貌類似；FPC側(cè)主要成分為C、O、P、Sn、Ni元素，與電阻脫開界面成分類似，推測脫落界面位于靠FPC側(cè)富P層表面。

 

圖2. NG1#其他LED位置脫落界面SEM圖片及EDS能譜圖

 

以上結(jié)果可知，焊點(diǎn)脫開界面主要位于FPC側(cè)富P層與IMC層之間，脫開界面平整，呈脆性斷裂特征；脫開界面位置除正常元素外，局部位置點(diǎn)狀異物還含有少量的Na、Cl、K元素，推測為界面脫開后人為污染所致。后續(xù)借助切片分析手段對脫開界面特征進(jìn)一步分析確認(rèn)。

 

3. 剖面分析

對NG1#電阻脫落界面及其他LED脫落界面、同批次未脫落樣品（OK1#）電阻位置切片后，利用SEM+EDS對截面進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如下：

NG1#（脫落電阻位置）：如圖3所示，切片結(jié)果顯示：①電阻脫開界面位于靠FPC側(cè)富P層與IMC之間，脫開界面平整，呈脆性斷裂特征；②FPC側(cè)富P層偏厚；③脫開界面處IMC大面積呈針狀形貌，形貌異常，IMC平均厚度偏厚；④成分測試顯示，IMC主要成分為鎳錫化合物，局部位置發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀金錫化合物，金錫化合物一定程度上增加了界面脆性，但不是導(dǎo)致焊點(diǎn)脫開的主要原因。

 

圖3. NG1#脫落電阻位置切片后截面SEM+EDS分析

 

NG1#（其他脫落LED位置）：如圖4所示，切片結(jié)果顯示：①LED焊點(diǎn)脫開界面同樣位于靠FPC側(cè)富P層表面，脫開界面平整，呈脆性斷裂特征，與電阻脫開界面特征一致；②FPC側(cè)焊盤富P層生成厚度平均為1.24μm，富P層偏厚。

 

圖4. NG1#其他LED位置切片后截面SEM形貌觀察及富P層厚度測量

 

OK1#（未脫落電阻位置）：如圖5所示，切片結(jié)果顯示：FPC側(cè)多處IMC形貌異常，呈針狀特征，局部IMC呈現(xiàn)“無根”形貌特征；FPC側(cè)IMC及富P層厚度均偏厚；成分測試顯示，IMC主要成分為鎳錫化合物，局部位置發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀金錫化合物，金錫化合物一定程度上增加了界面脆性。

 

圖5. OK1#脫落電阻位置切片后截面SEM+EDS分析

 

以上結(jié)果可知，失效樣品脫落界面位于FPC側(cè)富P層與IMC之間，脫落界面平整，呈脆性斷裂特征；IMC形貌異常，呈針狀特征；IMC平均厚度及富P層平均厚度偏厚。富P層及IMC都呈脆性，二者厚度偏厚時，將導(dǎo)致界面脆性增加，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性斷裂，故富P層及IMC厚度偏厚、IMC形貌異常是導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性脫開的主要原因。界面鎳錫IMC位置發(fā)現(xiàn)異常金錫化合物，也在一定程度上增加了焊點(diǎn)的脆性，但不是導(dǎo)致焊點(diǎn)脫開的主要原因。

同批次未脫落成品，F(xiàn)PC側(cè)IMC形貌及厚度、富P層厚度與失效樣品類似，同樣存在脆性脫開風(fēng)險。

 

4. FPC光板鍍層分析

富P層偏厚、IMC形貌異常、IMC厚度偏厚主要與以下因素有關(guān)：①焊接熱輸入過量；②FPC側(cè)鎳層P含量偏高；③FPC鎳層異常，如致密度偏低。

為了確認(rèn)FPC焊盤鍍層是否異常，隨機(jī)選取兩片F(xiàn)PC光板（分別命名為：FPC-1#、FPC-2#），分別對其鍍層進(jìn)行表面觀察及剖面分析，結(jié)果如下：

表面觀察：如圖6示，F(xiàn)PC光板焊盤褪金后，鎳層表面呈現(xiàn)細(xì)小龜裂狀裂紋形貌。

 

圖6. 同批次FPC光板焊盤表面褪金前后形貌觀察照片

 

剖面分析：如圖7示，F(xiàn)PC光板焊盤切片及CP處理后，截面形貌觀察及成分分析結(jié)果顯示：①鎳表層形貌異常，呈疏松狀結(jié)構(gòu)；②金層平均厚度為77.7nm，厚度滿足標(biāo)準(zhǔn)IPC-4552A-2017 印制板化學(xué)鍍鎳/浸金（ENIG)鍍覆性能規(guī)范對鍍金層厚度的要求；③鎳層P含量在6.3wt%~7.0wt%之間，排除鎳層P含量偏高的影響。

 

圖7. 同批次FPC光板焊盤切片及CP處理后截面形貌觀察及成分分析結(jié)果

 

以上結(jié)果可知，F(xiàn)PC光板焊盤鎳表層形貌異常，呈疏松狀結(jié)構(gòu)，推測鎳層致密度較低。

 

5. Profile曲線分析

為了確認(rèn)焊接回流溫度設(shè)置是否合理，對圖8profile曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

#10曲線對應(yīng)的峰值溫度超出標(biāo)準(zhǔn)IPC 7530A-2017群焊工藝溫度曲線指南（再流焊和波峰焊）對無鉛焊接峰值溫度要求范圍，其他曲線峰值溫度接近標(biāo)準(zhǔn)要求上限，存在焊接熱輸入偏大的風(fēng)險。

 

圖8. profile曲線

 

三、總結(jié)分析

 

外觀檢查發(fā)現(xiàn)：失效成品電阻器件脫落，脫開界面平整，呈現(xiàn)脆性斷裂特征；焊錫殘留于電阻側(cè)，電阻端子潤濕完好，排除電阻端子上錫不良影響；其他LED器件同樣發(fā)現(xiàn)脫落異常，脫開界面特征與電阻類似，為典型脆性斷裂失效。同批次未脫落成品，電阻焊點(diǎn)成型完好，未見明顯潤濕不良現(xiàn)象。

 

表面分析結(jié)果顯示：焊點(diǎn)脫開界面主要位于FPC側(cè)富P層與IMC層之間，脫開界面平整，呈脆性斷裂特征；脫開界面位置除正常元素外，局部位置點(diǎn)狀異物還含有少量的Na、Cl、K元素，推測為界面脫開后人為污染所致。

 

剖面分析結(jié)果顯示：失效樣品脫落界面位于FPC側(cè)富P層與IMC之間，脫落界面平整，呈脆性斷裂特征，切片結(jié)果與表面分析結(jié)果一致；IMC形貌異常，呈針狀特征；IMC平均厚度及富P層平均厚度偏厚；成分測試顯示，IMC主要成分為鎳錫化合物，局部位置發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀金錫化合物。

 

富P層及IMC都呈脆性，二者厚度偏厚時，將導(dǎo)致界面脆性增加，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性斷裂，故富P層及IMC厚度偏厚、IMC形貌異常是導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性脫開的主要原因。界面鎳錫IMC位置發(fā)現(xiàn)異常金錫化合物，也在一定程度上增加了焊點(diǎn)的脆性，但不是導(dǎo)致焊點(diǎn)脫開的主要原因。

 

同批次未脫落成品，F(xiàn)PC側(cè)IMC形貌及厚度、富P層厚度與失效樣品類似，同樣存在脆性脫開風(fēng)險。

 

富P層偏厚、IMC形貌異常、IMC厚度偏厚主要與以下因素有關(guān)：①焊接熱輸入過量；②FPC側(cè)鎳層P含量偏高；③FPC鎳層異常，如致密度偏低。

 

FPC光板鍍層分析結(jié)果顯示：P含量無偏高現(xiàn)象，排除Ni層中P含量偏高對富P層生成過厚的影響；焊盤Ni表層形貌異常，呈疏松狀結(jié)構(gòu)，推測鎳層致密度存在偏低現(xiàn)象；金層平均厚度正常。

 

Profile溫度曲線可知，#10曲線對應(yīng)的峰值溫度超出標(biāo)準(zhǔn)IPC 7530A-2017群焊工藝溫度曲線指南（再流焊和波峰焊）對無鉛焊接峰值溫度要求范圍，其他曲線峰值溫度接近標(biāo)準(zhǔn)要求上限，存在焊接熱輸入偏大的風(fēng)險。

 

綜上所述，F(xiàn)PCB電阻脫開的直接原因?yàn)镕PC側(cè)富P層、IMC層生成過厚及IMC形貌異常，使焊接界面脆性增加，IMC界面處金錫化合物在一定程度上可以加劇放大該問題，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性斷開。根本原因?yàn)橹饕cFPC鎳層異常有關(guān)（鎳表層形貌異常，呈疏松狀結(jié)構(gòu)），另外Profile峰值溫度偏上限，存在焊接熱輸入偏大的風(fēng)險，在一定程度上促進(jìn)了IMC及富P層的生成。

 

四、結(jié)論與建議

 

FPC連接器焊點(diǎn)脫落的原因?yàn)榻缑娼Y(jié)構(gòu)異常：FPC焊盤側(cè)富磷層、IMC層生成過厚及IMC形貌異常，使焊接界面脆性增加，IMC界面處金錫化合物在一定程度上可以加劇放大該問題，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)脆性開裂。

 

改善建議

1. 增加FPC來料檢驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注鎳層形貌是否異常；

2. 調(diào)節(jié)爐溫曲線（適當(dāng)降低峰值溫度或縮短回流時間），減少熱輸入。

 

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