焊点脆性开裂失效分析 -凯发官网入口首页

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。

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