漏電原因逐步揭秘！手機(jī)電池存在輕微漏電現(xiàn)象失效分析

 

引言

 

某款手機(jī)電池在老化試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)存在不開機(jī)、輸出電壓異常的不良現(xiàn)象。檢查發(fā)現(xiàn)電池PCBA上的某芯片引腳之間存在熱點(diǎn)，有輕微漏電現(xiàn)象?，F(xiàn)測(cè)試分析，查找電池漏電原因。

 

測(cè)試分析

 

1 外觀檢查

 

對(duì)失效電池和正常電池上的PCBA板進(jìn)行外觀檢查，失效電池U2和U3表面保護(hù)膠與PCB板結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)開裂、氣孔等明顯不良現(xiàn)象；正常電池PCBA上器件未點(diǎn)膠，表面亦未發(fā)現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象。

 

2 電學(xué)性能及紅外熱性定位測(cè)試

 

分別對(duì)失效電池和正常電池中的電芯電壓和電池輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見表1。發(fā)現(xiàn)失效電池中#5電池輸出電壓明顯存在異常，其余失效電池和正常電池中，電芯電壓與電池輸出電壓相差較小，未發(fā)現(xiàn)異常。因此確認(rèn)失效電池中PCBA模塊存在異常。

 

表1 失效電池和正常電池的電芯電壓和輸出電壓結(jié)果

 

為了確認(rèn)失效電池中是否存在漏電熱點(diǎn)現(xiàn)象，現(xiàn)對(duì)失效電池和正常電池進(jìn)行顯微紅外熱像測(cè)試，發(fā)現(xiàn)#5失效電池中U3芯片的引腳3和2之間存在熱點(diǎn)，如圖1所示，其他失效電池中未發(fā)現(xiàn)明顯熱點(diǎn)。

 

圖1 #5失效電池?zé)狳c(diǎn)位置示意圖

 

3 表面SEM+EDS分析

 

據(jù)紅外熱像結(jié)果，將#5失效電池進(jìn)行剝膠處理，發(fā)現(xiàn)U3芯片的引腳3和2和對(duì)應(yīng)的熱封膠表面存在類似電遷移物質(zhì)。該電遷移類物質(zhì)正好將芯片上的引腳3和2之間連接，如圖2所示，通過對(duì)該電遷移類物質(zhì)進(jìn)行成分分析，其主要元素為C、O、Cl、Sn、Ni，其中Cl為異常元素，且含量異常的高，如表2所示。

 

圖2 #5失效電池U3芯片引腳3和2之間SEM圖片

 

表2 #5失效電池U3芯片引腳3和2之間異物EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

 

通過對(duì)U3芯片的1~3引腳表面和對(duì)應(yīng)的熱封膠表面進(jìn)行形貌觀察和成分分析，如圖3和表3所示，發(fā)現(xiàn)引腳表面錫焊料存在不同程度的腐蝕情況，對(duì)應(yīng)的熱封膠表面也存在掉落后的腐蝕錫塊。通過對(duì)腐蝕錫塊表面進(jìn)行成分分析，主要成分為C、O、Cl、Sn，其中Cl含量高達(dá)20%左右，而對(duì)未腐蝕的位置進(jìn)行成分分析，表面成分正常，未發(fā)現(xiàn)Cl元素。

 

圖3 #5失效電池U3芯片引腳表面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表3 #5失效電池品U3芯片引腳表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

 

4 特性曲線分析

 

為了進(jìn)一步確認(rèn)失效電池中U3器件本身是否存在問題，對(duì)#5失效電池U3芯片上的引腳3和2進(jìn)行特性曲線分析，同時(shí)對(duì)比裸器件上引腳3和2的特性曲線，看是否存在差異，檢測(cè)結(jié)果如下：#5失效電池中U3芯片的引腳3和2之間的特性曲線與正常裸芯片的特性曲線基本一致。由此說明，#5失效電池中U3芯片本身質(zhì)量不存在問題，導(dǎo)致失效電池漏電失效的原因是U3芯片引腳3和2之間存在電遷移現(xiàn)象。

 

 

5 物料排查

 

由上述測(cè)試結(jié)果可知，導(dǎo)致失效電池漏電失效的直接原因?yàn)閁3芯片引腳3和2之間存在電遷移，而導(dǎo)致電遷移發(fā)生的直接因素為引腳焊點(diǎn)表面存在異常高含量的Cl元素。結(jié)合該電池的工藝生產(chǎn)流程圖，異常Cl元素可能從以下4個(gè)方面引入：

（1）電池在老化過程中，由其他地方引入Cl；

（2）器件上Cl殘留；

（3）SMT組裝過程中引入Cl，包括錫膏和外來因素；

（4）PCB板表面Cl殘留。

 

5.1 電池在老化過程中，是否由電池其它地方引入Cl

#5失效電池剝膠后，U3芯片附近PCB板面進(jìn)行成分分析，如圖6和表3所示，剝離膠后，U3芯片上引腳3附近的PCB板表面亦未發(fā)現(xiàn)Cl元素。如果Cl元素是由外界其它地方引入，PCB板表面應(yīng)存在Cl遷移殘留，綜上，可排除Cl元素由電池其它地方引入的可能。

 

圖6 #失效電池剝膠后U3附近表面SEM圖片

 

表4 #失效電池剝膠后U3附近表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

 

5.2 器件表面的Cl殘留

為了確認(rèn)失效電池中U3芯片引腳焊點(diǎn)表面的Cl是否來自芯片本身，對(duì)裸芯片和#失效電池上其他器件表面膠進(jìn)行成分分析，裸芯片表面未發(fā)現(xiàn)有Cl殘留；#失效電池上電阻R1焊點(diǎn)焊料也存在錫焊料被腐蝕情況，通過成分分析，發(fā)現(xiàn)存在異常元素Cl，且含量高達(dá)10%左右。由此說明，失效電池中不只是U2和U3器件上焊點(diǎn)焊料存在被腐蝕現(xiàn)象，其他器件也存在該現(xiàn)象。

通過上述結(jié)果可知，失效電池中U2和U3芯片引腳焊點(diǎn)表面的Cl元素應(yīng)不是來自器件本身。

 

圖7 裸芯片表面SEM圖片

 

表5 裸芯片表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

 

圖8 #5失效電池上R1表面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表6 #5失效電池上R1表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

 

5.3 電池在SMT過程中，由錫膏或外來因素引入

通過對(duì)OK-1電池上U3芯片焊點(diǎn)表面進(jìn)行表面形貌觀察和成分分析，如圖9和表7所示。通過表面形貌觀察，引腳焊點(diǎn)焊料未發(fā)現(xiàn)有腐蝕情況，通過成分分析，引腳表面及周邊亦未發(fā)現(xiàn)有Cl元素。

由上述結(jié)果可知，正常電池中器件焊點(diǎn)焊料表面未發(fā)現(xiàn)有Cl殘留，結(jié)合采用的無鹵錫膏Sn98.5Ag1.0Cu0.5，由上可排除錫膏本身帶有Cl。

 

圖9 OK-1電池U3芯片引腳表面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表7 OK-1電池上U3芯片引腳表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

 

5.4 PCB板表面Cl殘留

對(duì)失效電池進(jìn)行表面觀察，發(fā)現(xiàn)152#失效電池中PCB板上B+旁阻焊膜表面存在異常顆粒點(diǎn)，如圖27所示。通過對(duì)該異常顆粒物進(jìn)行表面形貌觀察及成分分析，如圖28和表14所示，通過成分分析可知，該異常顆粒含有異常高的Cl元素，且含異常的Ni和Cu元素。該異常顆粒的來源需要進(jìn)一步的確認(rèn)。

 

圖10 #6失效電池PCB板表面異常顆粒外觀圖片

 

圖11 #6失效電池PCB板表面異常顆粒SEM圖片

 

表8 #6失效電池PCB板表面異常顆粒EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

 

對(duì)上述的異常顆粒點(diǎn)進(jìn)行切片分析，發(fā)現(xiàn)異常顆粒旁的阻焊膜出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，且在阻焊下方為內(nèi)部金屬走線，在金屬走線邊側(cè)發(fā)現(xiàn)與異常金屬顆粒相同物質(zhì)。通過成分分析，發(fā)現(xiàn)異常顆粒與走線邊側(cè)異常物質(zhì)成分相同，均發(fā)現(xiàn)異常高的Cl元素，且亦含Ni和Cu。其它金屬走線邊側(cè)也發(fā)現(xiàn)存在異常物質(zhì)，經(jīng)成分確認(rèn)，亦發(fā)現(xiàn)異常高含量的Cl元素。

 

經(jīng)了解，該P(yáng)CB內(nèi)部金屬走線為Cu表面鍍Ni鍍Au結(jié)構(gòu)，且該P(yáng)CB板的制作工藝為先做焊盤表面處理，后涂覆阻焊膜。結(jié)合上述測(cè)試結(jié)果可推測(cè)，該阻焊膜表面異常顆粒應(yīng)來自PCB板內(nèi)部金屬走線邊側(cè)。失效電池中PCB板內(nèi)部金屬走線邊側(cè)的異物應(yīng)為PCB板制作流程中蝕刻線路的蝕刻液殘留導(dǎo)致。

 

在其他PCB板表面也發(fā)現(xiàn)有異物殘留，通過成分確認(rèn)，該異物發(fā)現(xiàn)有較高含量的Cl殘留。

 

結(jié)合上述物料排查結(jié)果，可確定失效電池中異常Cl元素應(yīng)來自PCB光板，在其阻焊膜表面和內(nèi)部金屬走線邊側(cè)均發(fā)現(xiàn)較高含量的Cl，直接導(dǎo)致后續(xù)焊點(diǎn)腐蝕和電遷移的發(fā)生。

 

結(jié)論

 

導(dǎo)致失效電池漏電失效的直接原因?yàn)椋菏щ姵刂蠻3芯片引腳3和2之間存在電遷移類物質(zhì)，導(dǎo)致電池發(fā)生漏電失效。發(fā)生電遷移的原因?yàn)楹更c(diǎn)表面Cl殘留過高，致使焊點(diǎn)發(fā)生腐蝕，進(jìn)一步誘發(fā)引腳之間的電遷移。其中異常Cl元素來自PCB光板本身，與PCB板制程工藝不良有關(guān)。

 

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