焊点气泡危害及其产生原因.ppt

焊點氣泡的危害及其產生原因 焊點氣泡的危害及其產生原因 主要內容 1 空洞及其危害2 空洞允收標準3 空洞產生原因4 空洞致焊點失效案例 空洞是焊點中常見的現象 1 空洞及其危害 空洞對焊點的危害較大 統計分析顯示 與空洞有關的失效佔到了PCBA失效的20 BGA錫球內的空洞 PTH焊點內的空洞 一般SMT焊點內的空洞 空洞的兩種危害 1 空洞及其危害 焊點強度 可靠性下降 焊點短路 1 減少有效焊接面積 削弱焊接強度 降低可靠性 2 推擠焊錫 導致焊點間短路 2 空洞允收標準 空洞的判定一般使用X RAY影像來裁決 允收標準一般針對BGA錫球內的氣泡 IPC A610D要求從topview觀察 空 面積 可超過球面積的25 25 area 焊點內的空洞可以用切片 X Ray等手段觀察到 2 空洞允收標準 IPC 7095A對BGA錫球中氣泡允收標準有較細致的定義 1 Flux與金属氧化物 SnO CuO 反應後產生水分 2 Flux中的有機酸酯化反應生成水 空洞產生的一般原因是焊錫熔融時生成了氣體 Flux殘留有機物質在焊接高溫中裂解產生氣體 3 空洞產生機理 水汽 有機物裂解 3 受潮 引用自Tamura研究成果 氣體來源 3 空洞產生原因 引用自Tamura研究成果 助焊劑活性不足 三成員 引腳 焊錫 PCBPAD 吸水 氧化 PAD設計 盤上via 破孔 表面處理 回流時間 柯肯達爾現象 3 空洞產生原因之一 助焊劑活性不足 錫膏中的助焊劑殘渣未及排出熔融的焊錫 在高溫下裂解形成氣泡 活性較強的助焊劑能抑制氣泡的形成 強活性的助焊劑使潤濕速度加快 減少助焊劑殘渣被焊錫包裹的機會 Void Relativeactivatorcontent 0 5 10 15 0 1 2 3 4 5 資料來源 by白蓉生 3 空洞產生原因之二 三成員 引腳 焊錫 PCBPAD 吸水 氧化 吸水 水在加熱時汽化 在焊點內形成很大的氣泡 甚至能使相鄰的錫球由於焊錫溢出而短路 氧化 1 使得助焊反應更劇烈 形成更多的氣泡 2 氧化不易完全清除 潤濕速度較慢 不利與氣泡外排 3 由於拒焊而形成氣泡集中 3 空洞產生原因之三 PAD設計 盤上via SMT時 焊錫覆蓋在via上 via內部空氣難以逃溢 此種氣泡國際規范已予允收 J STD 001D 解決1 電鍍填孔 解決2 控深鑽孔 盤上via導致氣泡 解決3 塞孔鍍銅 3 空洞產生原因之四 PTH破孔 波峰焊時 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 由於PCB基材需要經過許多濕制程 難免會從破孔處吸入水汽 化學物質 這些物質在高溫下可能放出大量的氣體 3 空洞產生原因之五 表面處理 表面處理層防氧化不到位 導致焊接時候空洞較多 OSP等有機表面處理會由于有機膜裂解而產生空洞 裸銅板會由于氧化而生成大量氣泡 OSP膜在焊接時若不能被焊錫及時趕出焊盤則可能裂解生成大量微洞 3 空洞產生原因之六 回流時間 回流時間對氣泡產生量的影響 1 較長的回流時間有利於氣泡的逃溢 2 時間過長的回流會加劇助焊劑裂解 3 PAD再氧化形成更多氣泡 Peaktemperature 260 TOL 45seconds Peaktemperature 235 TOL 70seconds profileA profileB 引用自Tamura研究成果 3 空洞產生原因之七 柯肯達爾 Kirkendall 現象 Agedat150 C after3days Agedat150 C after20days 焊点IMC內部的一些微小的孔洞随着时间的积累越来越大 越來越多 最后会连成一条细缝 导致焊点断裂 这种现象 就是柯肯達爾 Kirkendall 效应 圖片來源 KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliabilitybyKejunZeng 3 空洞產生原因之七 柯肯達爾 Kirkendall 現象 圖片來源 KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliabilitybyKejunZeng 柯肯達爾孔洞機理 不等量原子擴散 3 空洞產生原因之九 柯肯達爾現象 Kirkendallequation 柯肯達爾孔洞的兩種生成機制 扇貝型Cu6Sn5IMC 連續的Cu6Sn5和Cu3SnIMC Agedat150 C after3days Afterreflow 圖片來源 KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliabilitybyKejunZeng 1 基底Cu擴散 焊接完成后焊點的Cu6Sn5IMC層呈扇貝型 在后續的老化中IMC會由于Cu底不斷向Sn中擴散而生長 Cu擴散使得在Cu與IMC的界面產生空位 這些空位聚集起來就會形成孔洞 3 空洞產生原因之九 柯肯達爾現象 Kirkendallequation 圖片來源 KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliability 2 Cu3SnIMC層的生長 在焊接剛剛完成時 焊點中的Cu3SnIMC是很少甚至沒有的 老化過程中會發生如下反應 導致Cu3SnIMC生長 反應中生成的Sn會向Cu底擴散 從而在Cu3SnIMC中留下空位 形成孔洞 3 空洞產生原因之七 圖片來源 KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliability 柯肯達爾現象的防范 1 銅焊盤上鍍上Ni阻擋層 柯肯達爾孔洞一般出現在Cu基底的焊點 因為Cu在焊錫中擴散速度相對較快 在常溫下擴散也持續進行 Ni底在焊錫中擴散速度慢 焊接后擴散基本停止 2 焊料中加Cu 焊料中加少量的Cu即可有效抑制Cu底在焊錫中的擴散 從而阻止柯肯達爾孔洞產生 柯肯達爾 Kirkendall 現象 失效分析案例之 空洞導致焊點失效 問題描述 樣品E1 E2 焊點100cycleESS的情況下不會發生crack 200cycleESS後 部分焊點在PCB側發生Crack 300cycleESS後 更多焊點在PCB側發生Crack 且許多焊點的開裂面積大於50 100 ESS 200 ESS 300 ESS 以往CASE 最近發生異常 100 ESS 200 ESS 200 ESS 100cycleESS後 部分焊點在PCB側已發生Crack 200cycleESS後 更多焊點在PCB側發生Crack 且許多焊點的開裂面積大於50 PCB PCB PCB PCB PCB PCB ESS 指RT27 04ESS模擬環境測試 20 min 測試條件 1 TemperatureHigh 85 C uncontrolledhumidity2 TemperatureLow 40 C uncontrolledhumidity3 DwellTime 23mins4 RampRate 20 C min 紅墨水 SEM EDS BGA切片分析 發現斷面存在大量void 焊點中的void普遍集中在IMC附近 且void多與IMC中的微裂縫相連 ESS200CYCLES 未ESS樣品 SMT 焊點側面發生斷裂 驗証氣泡來源 PCB Profile 錫膏 SEM EDS 不同TOL值Profile過爐 採用不同廠商的錫膏焊接 N廠商PCB 實驗流程 IMC附近產生大量Void 焊點開裂 N廠商 T廠商 TOL 90 100s TOL 100 110s TOL 55 60s S廠商 M廠商 T廠商 化銀層存在孔洞 IMC附近氣泡較多 TOL TimeOverLiquid OK OK OK 綜合 S廠商 T廠商焊接 斷面存在大量void S廠商的錫膏導致了IMC附近生成大量的氣泡 ESS100CYCLES 樣品E1 樣品E2 焊點開裂 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 應力集中導致Void附近IMC發生Crack 提高TOL後氣泡無明顯改善 焊點斷面存在大量VOID 樣品E1 錫球側典型形貌 PCB側典型形貌 斷裂發生在PCB側IMC附近 焊點的斷面存在大量微小的氣孔 IMC solder fracturesurfaceafterdyeandprytest crackedregion PCB 焊點IMC厚度正常 IMC附近有大量小氣孔 樣品S1 焊點的IMC厚度正常 IMC附近有許多細小的氣泡 IMC在氣泡附近發生了斷裂 焊接點在焊錫與IMC間發生開裂 微細孔洞 斷面無法完全吻合 結論 焊點的開裂可能與IMC附近的大量氣泡有關 U2100 切片位置 實驗結果 氣泡的來源驗証之一 PCB N廠商 T廠商 樣品P nPAD表面 SEMX2000 樣品P tPAD表面 SEMX2000 在N廠商PCBPAD表面發現大量直徑在1 3 m的小孔洞 T廠商PCBPAD表面未發現異常兩種PCB的成品焊點斷面形貌相似 都存在大量小氣孔 N廠商焊點斷面 PCB側 SEMX200 T廠商焊點斷面 PCB側 SEMX200 結論 N廠商PCBPAD上的孔洞並非焊點IMC附近產生氣泡的主要因子 氣泡的來源驗証之二 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 55 60s 實驗曲線二P2 TOL 90 100s 實驗曲線三 TOL 100 110s 樣品P2 TOL 90 100s 樣品P3 TOL 100 110s 樣品P1 TOL 55 60s U1200 切片位置 氣泡的來源驗証之二 Profile 樣品P1 P2 P3 TOL TimeOverLiquid TOL加長氣泡反而增多 氣泡的來源驗証之三 錫膏驗証 Senju Multicroe Tamura 回流曲線 CustomerApprovalProfile 回焊爐 TamuraTNR40 628PH L 使用S廠商 M廠商 T廠商三種錫膏在同一Profile Customerapprovalprofile 同一回焊爐內焊接 驗証不同錫膏焊點的氣泡生成情況 S廠商 M廠商 T廠商 Alloys PowderSize MetalLoading Viscosity Sn96 5 Ag3 0 Cu0 5 Sn96 5 Ag3 0 Cu0 5 Sn96 5 Ag3 0 Cu0 5 20 38um 25 36um 20 36um 88 5 88 5 88 2 200 20Pa s 215Pa s Properties 1020P 氣泡的來源驗証之三 錫膏驗証 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 實驗結果 僅在S s樣品焊點發現IMC附近有大量小氣泡 氣泡的來源驗証之三 錫膏驗証 S廠商 M廠商 T廠商 使用CP對S廠商錫膏焊接的錫球進行切片分析 發現焊點IMC上有許多氣泡 失效原因與改善對策 1 更換錫膏廠商 改善錫膏品質 a 減少錫膏氧化 從而減少水汽的產生 b 降低熔融錫膏的表面張力 以利於氣泡逃溢 c 溶劑沸點高溫化或過爐時加強預熱 2 改善PCB品質 杜絕PAD表面出現孔洞現象 3 加強現場管控 失效原因 改善對策 導致焊點可靠性下降 壽命縮短的主要原因是S廠商的錫膏存在品質問題 焊接時在PAD附近生成了大量微小空洞 THANKYOU