實(shí)例分析 | 焊點(diǎn)開(kāi)裂失效原因分析

在器件SMT（Surface Mounted Technology表面貼裝技術(shù)）的貼裝過(guò)程中，要形成一個(gè)優(yōu)質(zhì)的焊點(diǎn)，需要關(guān)注到多方面因素的綜合影響，而個(gè)別因素的異常，將直接導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量不佳，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)焊點(diǎn)虛焊、裂紋，造成器件后續(xù)脫落等缺陷。

本文以PCBA掉件缺陷的具體案例為例，通過(guò)對(duì)掉件區(qū)域的外部目檢、制樣鏡檢、SEM&EDS等手段，尋找出引起器件脫落的具體原因，幫助客戶(hù)進(jìn)行工藝改進(jìn)，減少不必要的成本耗損。

一、案例背景

某客戶(hù)通過(guò)SMT工藝焊接器件后發(fā)現(xiàn)存在焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度較低，器件易脫落的缺陷，委托廣電計(jì)量憑借專(zhuān)業(yè)的技術(shù)與設(shè)備分析其失效原因并借此改進(jìn)工藝。

二、分析過(guò)程

1、外部目檢

樣品的外部目檢形貌可見(jiàn)脫落器件處的PCB焊盤(pán)表面發(fā)黑，脫落器件兩端焊點(diǎn)有較多焊錫殘留，且斷裂面顏色與焊盤(pán)相似。說(shuō)明器件焊點(diǎn)斷裂端靠近PCB焊盤(pán)，結(jié)合PCB焊盤(pán)的電鍍工藝為化學(xué)鎳金，推測(cè)其缺陷與黑焊盤(pán)的相關(guān)性較大。

未焊接焊盤(pán)表面金層顏色異常，有較多深色區(qū)域參雜其中。

2、鎳腐蝕檢測(cè)

在掃描電鏡下觀察未焊接焊盤(pán)的金層，可見(jiàn)其表面粗糙，有較多凹陷紋路。使用去金水去除表面金層后，可見(jiàn)鎳層表面有大量被過(guò)度氧化腐蝕后形成的龜裂狀紋路。

3、制樣鏡檢

將掉件器件固封研磨后觀察焊點(diǎn)斷裂截面。

結(jié)果可見(jiàn)器件斷裂面為IMC底部，且IMC生長(zhǎng)不均勻，焊盤(pán)鎳層表面有鎳腐蝕形貌。未掉落器件的焊點(diǎn)截面可見(jiàn)其IMC生長(zhǎng)也不均勻，且在IMC底部出現(xiàn)多處伴隨鎳腐蝕痕跡的裂隙。

備注：IMC為金屬間化合物，英文全稱(chēng)為Intermetallic Compound。，它是界面反應(yīng)的產(chǎn)物，也作為形成良好焊點(diǎn)的一個(gè)標(biāo)志。

4、成分分析

對(duì)掉件處的PCB焊盤(pán)表面及其截面進(jìn)行成分分析檢測(cè)，結(jié)果未見(jiàn)異常元素，排出異常元素污染導(dǎo)致的器件掉落。磷元素含量顯示其為高磷范疇。

5、綜合分析

外部目檢可見(jiàn)掉件焊盤(pán)表面發(fā)黑，疑似鎳腐蝕導(dǎo)致的黑焊盤(pán)現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)掉件處的PCB焊盤(pán)進(jìn)行制樣鏡檢后可以看出鎳層存在多處鎳腐蝕跡象，PCB端的IMC生長(zhǎng)不均勻且焊點(diǎn)斷裂區(qū)域?yàn)樵揑MC底部。

對(duì)未焊接焊盤(pán)進(jìn)行剝金處理后可見(jiàn)鎳層表面存在明顯的鎳晶界腐蝕。對(duì)未掉落器件焊點(diǎn)進(jìn)行制樣鏡檢后可見(jiàn)IMC生長(zhǎng)仍不均勻，且鎳層存在多處鎳腐蝕形貌，部分鎳腐蝕處的鎳層和IMC層之間存在裂縫。成分分析結(jié)果顯示焊點(diǎn)斷裂面無(wú)異常元素，排出異常元素污染導(dǎo)致掉件。

綜上所述，樣品掉件原因推斷為焊盤(pán)鎳層在浸鍍金液時(shí)受到過(guò)度腐蝕導(dǎo)致鎳層表面氧化。焊接過(guò)程中低可焊性的氧化鎳無(wú)法與焊錫形成均勻連續(xù)的IMC，且易在IMC和鎳層之間出現(xiàn)焊點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象。這將導(dǎo)致焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度下降，在機(jī)械應(yīng)力的作用下易脫離焊盤(pán)。

三、結(jié)論

樣品掉件原因?yàn)榭蛻?hù)的PCB焊盤(pán)鎳層有較多鎳腐蝕導(dǎo)致焊接后的器件焊點(diǎn)IMC不均勻且有裂隙產(chǎn)生，使焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度下降，在后續(xù)使用中收到機(jī)械應(yīng)力作用引發(fā)器件掉件。

四、給客戶(hù)的工藝改進(jìn)建議

1.減小化鎳槽的壽命，控制磷含量。磷含量較低時(shí)，鎳層的抗蝕性較差，而磷含量較高時(shí)，需要注意富磷層的危害。針對(duì)現(xiàn)有情況，可以適當(dāng)提高磷含量，在鎳腐蝕結(jié)果得到改善的同時(shí)評(píng)估是否會(huì)產(chǎn)生富磷層危害。

2.建議客戶(hù)增加對(duì)鎳層厚度的監(jiān)控，使鎳層厚度至少控制在4μm以上，一定厚度的鎳層可以使其表面平坦，減少凹槽的形成，降低金液對(duì)鎳晶界的攻擊。

3.建議客戶(hù)將金層厚度控制在0.1μm以?xún)?nèi)，較薄的金層可以減小鍍金的浸泡時(shí)間，同時(shí)也降低了金脆風(fēng)險(xiǎn)。但需要確保金層對(duì)鎳層的保護(hù)作用在可接受范圍內(nèi)。

五、結(jié)果

客戶(hù)按照我們的建議更換了使用時(shí)間較長(zhǎng)的鍍金液，減少了浸泡時(shí)間。最終焊盤(pán)鎳層的腐蝕情況有所改善，大大減少了后續(xù)掉件的情況，節(jié)約了后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)處理的費(fèi)用。

六、關(guān)于廣電計(jì)量半導(dǎo)體服務(wù)

廣電計(jì)量在全國(guó)設(shè)有元器件篩選及失效分析實(shí)驗(yàn)室，形成了以博士、專(zhuān)家為首的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了元器件國(guó)產(chǎn)化驗(yàn)證與競(jìng)品分析、集成電路測(cè)試與工藝評(píng)價(jià)、半導(dǎo)體功率器件質(zhì)量提升工程、車(chē)規(guī)級(jí)芯片與元器件AEC-Q認(rèn)證、車(chē)規(guī)功率模塊AQG324認(rèn)證等多個(gè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)、滿(mǎn)足裝備制造、航空航天、汽車(chē)、軌道交通、5G通信、光電器件與傳感器等領(lǐng)域的電子產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的需求。

七、我們的服務(wù)優(yōu)勢(shì)

●配合工信部牽頭“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目”“面向制造業(yè)的傳感器等關(guān)鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺(tái)”等多個(gè)項(xiàng)目；

●在集成電路及SiC領(lǐng)域是技術(shù)能力最全面、知名度最高的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個(gè)型號(hào)的芯片驗(yàn)證；

●在車(chē)規(guī)領(lǐng)域擁有AEC-Q及AQG324全套服務(wù)能力，獲得了近50家車(chē)廠(chǎng)的認(rèn)可，出具近300份AEC-Q及AQG324報(bào)告，助力100多款車(chē)規(guī)元器件量產(chǎn)。