焊點(diǎn)氣泡危害及其產(chǎn)生原因課件.ppt

1、焊點(diǎn)氣泡的危害及其產(chǎn)生原因,焊點(diǎn)氣泡的危害及其產(chǎn)生原因,主要內(nèi)容,1.空洞及其危害 2.空洞允收標(biāo)準(zhǔn) 3.空洞產(chǎn)生原因 4.空洞致焊點(diǎn)失效案例,空洞是焊點(diǎn)中常見(jiàn)的現(xiàn)象；,1.空洞及其危害,空洞對(duì)焊點(diǎn)的危害較大，統(tǒng)計(jì)分析顯示，與空洞有關(guān)的失效佔(zhàn)到了 PCBA失效的20%；,BGA錫球內(nèi)的空洞,PTH 焊點(diǎn)內(nèi)的空洞,一般SMT 焊點(diǎn)內(nèi)的空洞,空洞的兩種危害,1.空洞及其危害,焊點(diǎn)強(qiáng)度/可靠性下降,焊點(diǎn)短路,1.減少有效焊接面積削弱焊接強(qiáng)度降低可靠性。,2.推擠焊錫導(dǎo)致焊點(diǎn)間短路。,2.空洞允收標(biāo)準(zhǔn),空洞的判定一般使用X-RAY影像來(lái)裁決，允收標(biāo)準(zhǔn)一般針對(duì)BGA錫球內(nèi)的氣泡。,IPC-A610D要求

2、從top view觀察空面積可超過(guò)球面積的25%。,25%area,焊點(diǎn)內(nèi)的空洞可以用切片X-Ray等手段觀察到。,2.空洞允收標(biāo)準(zhǔn),IPC-7095A 對(duì)BGA錫球中氣泡允收標(biāo)準(zhǔn)有較細(xì)致的定義,（）,(1) Flux與金屬氧化物(SnO/CuO) 反應(yīng)後產(chǎn)生水分,(2) Flux中的有機(jī)酸酯化反應(yīng)生成水,空洞產(chǎn)生的一般原因是焊錫熔融時(shí)生成了氣體。,Flux殘留有機(jī)物質(zhì)在焊接高溫中裂解產(chǎn)生氣體。,3. 空洞產(chǎn)生機(jī)理,水汽：,有機(jī)物裂解：,(3) 受潮,引用自Tamura研究成果,氣體來(lái)源,3. 空洞產(chǎn)生原因,引用自Tamura研究成果,助焊劑活性不足,三成員(引腳、焊錫、PCB PAD) 吸水

3、、氧化,PAD設(shè)計(jì)(盤(pán)上via),破孔,表面處理,回流時(shí)間,柯肯達(dá)爾現(xiàn)象,3. 空洞產(chǎn)生原因之一,助焊劑活性不足,錫膏中的助焊劑殘?jiān)醇芭懦?熔融的焊錫，在高溫下裂解形 成氣泡。,活性較強(qiáng)的助焊劑能抑制氣泡 的形成-強(qiáng)活性的助焊劑使?jié)?濕速度加快，減少助焊劑殘?jiān)?被焊錫包裹的機(jī)會(huì)。,Void (%),Relative activator content,0,5,10,15,0%,1%,2%,3%,4%,5%,資料來(lái)源 : by 白蓉生,3. 空洞產(chǎn)生原因之二,三成員(引腳、焊錫、PCB PAD)吸水、氧化,吸水：水在加熱時(shí)汽化，在焊 點(diǎn)內(nèi)形成很大的氣泡，甚至能使 相鄰的錫球由於焊錫溢出而短 路

4、。,氧化： 1、使得助焊反應(yīng)更劇烈，形成更多的 氣泡； 2、氧化不易完全清除，潤(rùn)濕速度較 慢，不利與氣泡外排； 3、由於拒焊而形成氣泡集中。,3. 空洞產(chǎn)生原因之三,PAD設(shè)計(jì)(盤(pán)上via),SMT時(shí)，焊錫覆蓋在via上，via內(nèi)部空氣難以逃溢。,此種氣泡國(guó)際規(guī)范已予允收(J-STD-001D)。,解決1：電鍍填孔,解決2：控深鑽孔,盤(pán)上via導(dǎo)致氣泡,解決3：塞孔鍍銅,3. 空洞產(chǎn)生原因之四,PTH破孔,波峰焊時(shí)，PTH孔壁上的破孔 向外吹氣稱為吹孔。,PTH的破孔一般與鑽孔鍍銅等流程有關(guān)由於PCB基材需要經(jīng)過(guò)許多濕制程，難免會(huì)從破孔處吸入水汽、化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)在高溫下可能放出大量的氣體。

5、,3. 空洞產(chǎn)生原因之五,表面處理,表面處理層防氧化不到位導(dǎo)致焊接時(shí)候空洞較多。 OSP等有機(jī)表面處理會(huì)由于有機(jī)膜裂解而產(chǎn)生空洞。,裸銅板會(huì)由于氧化而生成大量氣泡,OSP膜在焊接時(shí)若不能被焊錫及時(shí)趕出焊盤(pán) 則可能裂解生成大量微洞,3. 空洞產(chǎn)生原因之六,回流時(shí)間,回流時(shí)間對(duì)氣泡產(chǎn)生量的影響: 1、較長(zhǎng)的回流時(shí)間有利於氣泡的逃溢； 2、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的回流會(huì)加劇助焊劑裂解； 3、PAD再氧化形成更多氣泡。, Peak temperature : 260 TOL : 45 seconds, Peak temperature : 235 TOL : 70 seconds,profile A,profile

6、 B,引用自Tamura研究成果,3. 空洞產(chǎn)生原因之七,柯肯達(dá)爾（Kirkendall）現(xiàn)象,Aged at 150 C: after 3 days,Aged at 150 C: after 20 days,焊點(diǎn)IMC內(nèi)部的一些微小的孔洞隨著時(shí)間的積累越來(lái)越大，越來(lái)越多最后會(huì)連成一條細(xì)縫，導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂。這種現(xiàn)象，就是柯肯達(dá)爾(Kirkendall)效應(yīng)。,圖片來(lái)源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability by Kejun Zen

7、g,3. 空洞產(chǎn)生原因之七,柯肯達(dá)爾（Kirkendall）現(xiàn)象,圖片來(lái)源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability by Kejun Zeng,柯肯達(dá)爾孔洞機(jī)理,不等量原子擴(kuò)散,2020/10/10,17,可編輯,3. 空洞產(chǎn)生原因之九,柯肯達(dá)爾現(xiàn)象（Kirkendall equation）,柯肯達(dá)爾孔洞的兩種生成機(jī)制,扇貝型Cu6Sn5 IMC,連續(xù)的Cu6Sn5和Cu3Sn IMC,Aged at 150 C: after 3

8、 days,After reflow,圖片來(lái)源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability by Kejun Zeng,1.基底Cu擴(kuò)散 焊接完成后焊點(diǎn)的Cu6Sn5 IMC層呈扇貝型在后續(xù)的老化中IMC會(huì)由于Cu底不斷向Sn中擴(kuò)散而生長(zhǎng)Cu擴(kuò)散使得在Cu與IMC的界面產(chǎn)生空位這些空位聚集起來(lái)就會(huì)形成孔洞。,3. 空洞產(chǎn)生原因之九,柯肯達(dá)爾現(xiàn)象（Kirkendall equation）,圖片來(lái)源Kirkendall void form

9、ation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability,2. Cu3Sn IMC層的生長(zhǎng) 在焊接剛剛完成時(shí)焊點(diǎn)中的Cu3Sn IMC是很少甚至沒(méi)有的 老化過(guò)程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)導(dǎo)致Cu3Sn IMC生長(zhǎng)：,反應(yīng)中生成的Sn會(huì)向Cu底擴(kuò)散從而在Cu3Sn IMC中留下空位形成孔洞。,3. 空洞產(chǎn)生原因之七,圖片來(lái)源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on jo

10、int reliability,柯肯達(dá)爾現(xiàn)象的防范 1.銅焊盤(pán)上鍍上Ni阻擋層: 柯肯達(dá)爾孔洞一般出現(xiàn)在Cu基底的焊點(diǎn),因?yàn)镃u在焊錫中擴(kuò)散速度相對(duì)較快在常溫下擴(kuò)散也持續(xù)進(jìn)行Ni底在焊錫中擴(kuò)散速度慢焊接后擴(kuò)散基本停止。,2.焊料中加Cu: 焊料中加少量的Cu即可有效抑制Cu底在焊錫中的擴(kuò)散從而阻止柯肯達(dá)爾孔洞產(chǎn)生。,柯肯達(dá)爾（Kirkendall）現(xiàn)象,失效分析案例之,空洞導(dǎo)致焊點(diǎn)失效,問(wèn)題描述(樣品E1/E2),焊點(diǎn)100 cycle ESS的情況下不會(huì)發(fā)生crack; 200cycle ESS後,部分焊點(diǎn)在PCB側(cè)發(fā)生Crack; 300cycle ESS後,更多焊點(diǎn)在PCB側(cè)發(fā)生Crac

11、k,且許多焊點(diǎn)的開(kāi)裂面積大於50%.,100-ESS,200-ESS,300-ESS,以往CASE,最近發(fā)生異常,100-ESS,200-ESS,200-ESS,100cycle ESS後.部分焊點(diǎn)在PCB側(cè)已發(fā)生Crack！ 200cycle ESS後,更多焊點(diǎn)在PCB側(cè)發(fā)生Crack,且許多焊點(diǎn)的開(kāi)裂面積大於50%！,PCB,PCB,PCB,PCB,PCB,PCB,ESS: 指RT27-04ESS模擬環(huán)境測(cè)試(20/min),測(cè)試條件： 1. Temperature High: +85C, uncontrolled humidity 2. Temperature Low: -40C,unc

12、ontrolled humidity 3. Dwell Time: 23 mins 4. Ramp Rate: 20C / min,紅墨水,SEM+EDS,BGA切片分析,發(fā)現(xiàn)斷面存在大量void,焊點(diǎn)中的void普遍集中在IMC附近，且void 多與IMC中的微裂縫相連,ESS200 CYCLES,未ESS樣品(SMT),焊點(diǎn)側(cè)面發(fā)生斷裂,驗(yàn)証氣泡來(lái)源,PCB,Profile,錫膏,SEM+EDS,不同TOL值 Profile過(guò)爐,採(cǎi)用不同廠商的錫膏焊接 (N廠商PCB),實(shí)驗(yàn)流程,?,IMC附近產(chǎn)生 大量Void,焊點(diǎn)開(kāi)裂,N廠商,T廠商,TOL=90100s,TOL=100110s,TO

13、L=5560s,S廠商,M廠商,T廠商,化銀層存在孔洞,IMC附近氣泡較多,TOL: Time Over Liquid,OK,OK,OK,綜合,S廠商+ T廠商 焊接,斷面存在大量void,S廠商的錫膏導(dǎo)致了IMC附近生成大量的氣泡,ESS100 CYCLES,(樣品E1),(樣品E2),焊點(diǎn)開(kāi)裂,(樣品S1),未ESS樣品(SMT),(樣品S2/S3),紅墨水,OK,(N廠商/T廠商）,(樣品P1/P2/P3),(S廠商/M廠商/T廠商),(樣品E1),應(yīng)力集中導(dǎo)致Void 附近IMC發(fā)生Crack,提高TOL後氣泡無(wú)明顯改善,焊點(diǎn)斷面存在大量VOID (樣品E1),錫球側(cè)典型形貌,PCB側(cè)

14、典型形貌,斷裂發(fā)生在PCB側(cè)IMC附近; 焊點(diǎn)的斷面存在大量微小的氣孔。,IMC,solder,fracture surface after dye and pry test,cracked region,PCB,焊點(diǎn)IMC厚度正常，IMC附近有大量小氣孔(樣品S1),焊點(diǎn)的IMC厚度正常. IMC附近有許多細(xì)小的氣泡. IMC在氣泡附近發(fā)生了斷裂. 焊接點(diǎn)在焊錫與IMC間發(fā)生開(kāi)裂.,微細(xì)孔洞,斷面無(wú)法完全吻合,結(jié)論：焊點(diǎn)的開(kāi)裂可能與IMC附近的大量氣泡有關(guān)。,U2100,切片位置,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：,氣泡的來(lái)源驗(yàn)証之一：PCB (N廠商/T廠商),樣品P-n PAD表面 (SEM X 2000),樣

15、品P-t PAD表面 (SEM X 2000),在N廠商 PCB PAD 表面發(fā)現(xiàn)大量直徑在13m的小孔洞。 T廠商 PCB PAD 表面未發(fā)現(xiàn)異常 兩種PCB的成品焊點(diǎn)斷面形貌相似,都存在大量小氣孔!,N廠商焊點(diǎn)斷面(PCB側(cè)) (SEM X 200),T廠商焊點(diǎn)斷面(PCB側(cè)) (SEM X 200),結(jié)論： N廠商PCB PAD 上的孔洞並非焊點(diǎn)IMC附近產(chǎn)生氣泡的主要因子!,氣泡的來(lái)源驗(yàn)証之二： Profile (樣品P1/P2/P3),客戶要求曲線,S廠商推薦曲線,客戶要求曲線 P1(TOL=5560s),實(shí)驗(yàn)曲線二 P2(TOL=90100s),實(shí)驗(yàn)曲線三 (TOL=100110s

16、),樣品P2(TOL=90100s),樣品P3 (TOL=100110s),樣品P1(TOL=5560s),U1200,切片位置,氣泡的來(lái)源驗(yàn)証之二： Profile (樣品P1/P2/P3),TOL: Time Over Liquid,TOL加長(zhǎng)氣泡反而增多,氣泡的來(lái)源驗(yàn)証之三：錫膏驗(yàn)証(Senju / Multicroe/Tamura),回流曲線：Customer Approval Profile,回焊爐: Tamura TNR40-628PH-L,使用S廠商、M廠商、T廠商三種錫膏在同一Profile (Customer approval profile)、同一回焊爐內(nèi)焊接，驗(yàn)証不同錫膏

17、焊點(diǎn)的氣泡生成情況。,S廠商,M廠商,T廠商,Alloys,Powder Size,Metal Loading,Viscosity,Sn 96.5: Ag3.0:Cu 0.5,Sn 96.5: Ag3.0:Cu 0.5,Sn 96.5: Ag3.0:Cu 0.5,20-38um,25-36um,20-36um,88.5%,88.5%,88.2%,200 20 Pa.s,215 Pa.s,Properties,1020 P,氣泡的來(lái)源驗(yàn)証之三：錫膏驗(yàn)証(S廠商 / M廠商/T廠商),M廠商錫膏,小氣泡,U1200,切片位置,S廠商錫膏,T廠商錫膏,實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 僅在S-s樣品焊點(diǎn)發(fā)現(xiàn)IMC附近有大量小氣泡!,氣泡的來(lái)源驗(yàn)証之三：錫膏驗(yàn)証(S