引言

 

無鉛化以后，由于無鉛焊料的潤濕性下降嚴重，組裝缺陷率明顯上升。為此，最好的辦法就是提升或改善助焊劑的助焊性能。但是提升助焊性能的方法就是增加助焊劑中固體活性物質(zhì)的含量，而這些活性物質(zhì)往往具有較強的腐蝕性，如果焊接工藝配合不當(dāng)殘留在焊點周圍或線路板上，常常會導(dǎo)致腐蝕和電遷移等可靠性問題。

 

本文以PCBA電遷移失效為例，詳細介紹電遷移失效機理與分析方法，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

委托方反饋，產(chǎn)品在服役過程中出現(xiàn)功能故障，初步分析鎖定在PCBA局部漏電異常， 現(xiàn)針對委托方提供的1pc NG樣品及1pc OK樣品進行測試分析，查明PCBA局部漏電異常的原因和機理。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

為了確認委托方鎖定漏電位置外觀是否存在異常，將失效樣品及正常樣品PCBA取出后，利用體視顯微鏡對漏電位置進行光學(xué)檢查，結(jié)果如圖1所示。

失效樣品左、右兩個漏電位置都發(fā)現(xiàn)疑似異物殘留現(xiàn)象，殘留異物覆蓋部分焊盤表面；正常樣品同樣發(fā)現(xiàn)疑似異物殘留痕跡，程度較失效樣品輕微。

 

圖1. 失效樣品漏電位置及正常樣品對應(yīng)位置外觀檢查照片

 

2. 絕緣電阻測試

為確認失效樣品是否存在漏電異常，將漏電位置相連線路割開后，利用漏電流測試儀分別對左、右兩個漏電位置進行絕緣電阻測試，結(jié)果如下。

失效樣品左、右兩個漏電位置絕緣電阻分別為625.9MΩ及4.820MΩ，正常情況下兩處位置絕緣電阻無窮大，故失效樣品確實存在漏電異常。

 

圖2. 失效樣品割線后左、右漏電位置

 

3. CT分析

利用CT三維斷層掃描技術(shù)，對失效樣品兩個漏電位置進行觀察分析，結(jié)果如圖3所示。

左、右兩個漏電位置均未觀察到明顯異常現(xiàn)象。

 

圖3. 失效樣品左、右兩個漏電位置CT觀察照片

 

4. 表面分析

利用電子掃描顯微鏡對失效樣品漏電位置及正常樣品對應(yīng)位置進行形貌觀察與成分分析，結(jié)果如下。

失效樣品：如圖4及表1-2所示，漏電位置多處觀察到Sn遷移枝晶形貌及Sn結(jié)晶形貌，說明漏電位置存在電化學(xué)遷移現(xiàn)象；漏電位置及周圍區(qū)域發(fā)現(xiàn)較多助焊劑殘留現(xiàn)象（助焊劑主要含有C、O、Sn元素），同時發(fā)現(xiàn)異物殘留（整體圖紅色箭頭所指）現(xiàn)象，異物含有異常K元素。

 

圖4. 失效樣品漏電位置SEM圖片及EDS能譜圖

 

表1. 失效樣品漏電位置局部成分測試結(jié)果（wt.%）

 

表2. 失效樣品漏電位置整體成分測試結(jié)果（wt.%）

 

正常樣品：如圖5及表3-4所示，對應(yīng)位置多處（局部1，局部2）觀察到Sn遷移枝晶形貌及Sn結(jié)晶形貌，說明正常樣品對應(yīng)位置也存在電遷移現(xiàn)象，只是程度較失效樣品輕微；通孔之間區(qū)域（局部3）較失效樣品對應(yīng)位置未發(fā)現(xiàn)明顯Sn結(jié)晶形貌；成分測試結(jié)果顯示，正常樣品對應(yīng)位置同樣存在助焊劑殘留現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)異常K元素存在。

 

圖5. 正常樣品對應(yīng)位置SEM圖片及EDS能譜圖

 

表3. 正常樣品對應(yīng)位置局部成分測試結(jié)果（wt.%）

 

表4. 正常樣品對應(yīng)位置整體成分測試結(jié)果（wt.%）

 

5. FTIR分析

為了確認失效樣品漏電位置異物成分，對失效樣品漏電位置及正常樣品對應(yīng)位置分別進行紅外光譜分析（FTIR），結(jié)果如圖7所示。

FTIR測試結(jié)果顯示，NG樣品漏電位置異物含有脂肪酸鹽成分，與陰離子表面活性劑成分相似。

 

圖6. 失效樣品及正常樣品FTIR測試位置

 

圖7. 失效樣品漏電位置及正常樣品對應(yīng)位置FTIR測試譜圖

 

6.v剖面分析

為了觀察失效樣品漏電路徑，對失效樣品漏電位置及正常樣品對應(yīng)位置分別進行切片后，利用電子掃描顯微鏡對截面進行形貌觀察及成分分析，結(jié)果如下。

失效樣品：如圖8所示，切片后結(jié)果顯示：①漏電位置相鄰?fù)字g存在大量Sn結(jié)晶，局部發(fā)現(xiàn)Sn枝晶形貌，表明通孔之間產(chǎn)生了電遷移現(xiàn)象；②通孔之間最小電氣間隙為135μm；③右側(cè)焊盤發(fā)現(xiàn)較多焊錫殘留現(xiàn)象。

 

圖8. 失效樣品漏電位置切片后截面SEM形貌及EDS圖譜

 

正常樣品：如圖9所示，切片后結(jié)果顯示：①對應(yīng)通孔之間未見明顯金屬結(jié)晶及遷移形貌，主要為助焊劑殘留；②通孔之間最小電氣間隙為165μm；③右側(cè)焊盤發(fā)現(xiàn)少量焊錫殘留現(xiàn)象。

 

圖9. 正常樣品對應(yīng)位置切片后截面SEM形貌及EDS圖譜

 

以上結(jié)果可知，失效樣品較正常樣品，漏電通孔之間發(fā)現(xiàn)較多Sn結(jié)晶及局部Sn枝晶形貌，即存在Sn遷移，同時通孔之間最小電氣間隙偏小，右側(cè)焊盤發(fā)現(xiàn)較多焊錫殘留現(xiàn)象。

 

三、總結(jié)分析

 

本案失效背景為：產(chǎn)品在服役過程中出現(xiàn)功能故障，初步分析鎖定在PCBA局部漏電異常。

 

外觀檢查結(jié)果顯示，漏電位置疑似存在異物殘留現(xiàn)象，殘留異物覆蓋部分焊盤表面，正常樣品對應(yīng)位置存在類似現(xiàn)象，只是程度較輕微。

 

對失效樣品漏電位置進行絕緣電阻測試，結(jié)果顯示，兩處漏電位置絕緣電阻分別為625.9MΩ及4.820MΩ，正常情況下兩處位置絕緣電阻無窮大，故失效樣品確實存在漏電異常。

 

表面分析結(jié)果顯示：①失效樣品漏電位置及正常樣品對應(yīng)位置都發(fā)現(xiàn)Sn遷移枝晶形貌及Sn結(jié)晶形貌，說明二者均存在電遷移現(xiàn)象，只是正常樣品電遷移程度較輕微；②通孔之間形貌觀察顯示，失效樣品存在明顯Sn結(jié)晶現(xiàn)象，而正常樣品未見明顯異常；③失效樣品漏電位置及正常樣品對應(yīng)位置都發(fā)現(xiàn)較多助焊劑殘留現(xiàn)象，同時失效樣品漏電位置及周圍區(qū)域還發(fā)現(xiàn)異物殘留現(xiàn)象，異物含有異常K元素。

 

為了確認異物成分，對失效樣品漏電位置及正常樣品對應(yīng)位置進行FTIR分析，結(jié)果顯示，失效樣品漏電位置異物含有脂肪酸鹽成分，與陰離子表面活性劑成分相似。

 

剖面分析結(jié)果顯示，失效樣品較正常樣品，漏電通孔之間發(fā)現(xiàn)較多Sn結(jié)晶及局部Sn枝晶形貌，即存在Sn遷移，同時通孔之間最小電氣間隙偏小，右側(cè)焊盤發(fā)現(xiàn)較多焊錫殘留現(xiàn)象。

 

以上結(jié)果可知，導(dǎo)致PCBA局部漏電異常的直接原因為失效樣品通孔之間產(chǎn)生了Sn遷移現(xiàn)象。電遷移的產(chǎn)生必須具備以下幾個條件：①電勢差；②金屬離子；③潮濕環(huán)境。失效樣品通孔之間距離較正常樣品偏小，相同電壓條件下，具備更高的電場強度，有利于電遷移的發(fā)生；失效樣品及正常樣品表面都發(fā)現(xiàn)Sn遷移枝晶形貌，推測助焊劑具有較高活性，在潮濕環(huán)境下錫的氧化物（氧化錫）容易在酸的作用下形成錫離子；失效樣品漏電位置發(fā)現(xiàn)了含K元素的脂肪酸鹽成分，該物質(zhì)與陰離子表面活性劑成分相似，推測為清洗劑殘留，最可能為電遷移的發(fā)生提供潮濕環(huán)境。

 

故影響失效樣品電遷移的因素包括：①漏電位置焊錫及助焊劑大量殘留，為電遷移發(fā)生提供必要條件；②含K異物（脂肪酸鹽）污染，促進了電遷移的發(fā)生進程。

 

四、結(jié)論與建議

 

導(dǎo)致PCBA局部漏電異常的直接原因為失效樣品通孔之間產(chǎn)生了Sn遷移現(xiàn)象。Sn遷移的發(fā)生與通孔位置較多焊錫、助焊劑殘留及含K異物（脂肪酸鹽）污染有關(guān)。

 

建議：

1. 增加通孔之間距離，避免焊盤位置殘留焊錫；

2. 增加清洗工藝，避免較多助焊劑及異物殘留。

 

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