焊点气泡危害及其产生原因课件.ppt

焊點氣泡的危害及其產生原因焊焊點氣泡的危害及其點氣泡的危害及其產產生原因生原因http:/ PCBA失效的20%；BGA錫球內的空洞PTH 焊點內的空洞PCBLead一般SMT 焊點內的空洞3.空洞的兩種危害1.1.空洞及其危害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。4.2.2.空洞允收標準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top view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。5.2.2.空洞允收標準空洞允收標準IPC-7095A 對BGA錫球中氣泡允收標準有較細致的定義IncomingType BType AAfter PCA ReflowType DType CType E6.（）（）(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。3.3.空洞空洞產產生生機理機理水汽：水汽：有機物裂解：有機物裂解：(3)受潮引用自Tamura研究成果氣體來源7.3.3.空洞空洞產產生生原因原因引用自Tamura研究成果助焊劑活性不足三成員(引腳、焊錫、PCB PAD)吸水、氧化PAD設計(盤上via)破孔表面處理回流時間柯肯達爾現象8.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之一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。SnPb63-37SnPb10-90Void(%)Relative activator content0510150%1%2%3%4%5%資料來源:by 白蓉生9.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之二之二三成員(引腳、焊錫、PCB PAD)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。10.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之三之三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11.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之四之四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。12.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之五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洞13.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之六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。Peak temperature:260Peak temperature:260 TOLTOL:45 seconds:45 seconds Peak temperature:Peak temperature:235235 TOLTOL:70 seconds70 secondsprofilprofile e A Aprofilprofile e B B 引用自Tamura研究成果14.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之七之七柯肯達爾（KirkendallKirkendall）現象Aged at 150 C:after 3 daysAged at 150 C:after 20 days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Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability by Kejun Zeng,15.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之七之七柯肯達爾（KirkendallKirkendall）現象圖片來源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability by Kejun Zeng,柯肯達爾孔洞機理不等量原子擴散空位16.THANK YOUSUCCESS2024/4/21 周日17.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之九之九柯肯達爾現象（Kirkendall equationKirkendall equation）柯肯達爾孔洞的兩種生成機制扇貝型Cu6Sn5 IMC 連續的Cu6Sn5和Cu3Sn IMC Aged at 150 C:after 3 daysAfter reflow圖片來源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability by Kejun Zeng,1.基底Cu擴散 焊接完成后焊點的Cu6Sn5 IMC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。18.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之九之九柯肯達爾現象（Kirkendall equationKirkendall equation）圖片來源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliabilityCu6Sn52Cu3Sn3Sn2.Cu3Sn IMC層的生長 在焊接剛剛完成時焊點中的Cu3Sn IMC是很少甚至沒有的 老化過程中會發生如下反應導致Cu3Sn IMC生長：反應中生成的Sn會向Cu底擴散從而在Cu3Sn IMC中留下空位形成孔洞。19.3.3.空洞空洞產產生原因生原因之七之七圖片來源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability柯肯達爾現象的防范 1.1.銅銅焊焊盤上鍍上盤上鍍上NiNi阻擋層阻擋層: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。2.2.焊焊料中加料中加Cu: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（KirkendallKirkendall）現象20.失效分析案例之空洞導致焊點失效21.問題描述(樣品E1/E2)u焊點100 cycle ESS的情況下不會發生不會發生crackcrack;u200cycle ESS後,部分焊點在PCB側發生Crack;u300cycle ESS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-ESS100-ESS200-ESS200-ESS300-ESS300-ESS以往以往CASECASE最近發生異常100-ESS100-ESS200-ESS200-ESS200-ESS200-ESS100cycle ESS後.部分焊點在PCB側已發生已發生Crack！200cycle ESS後,更多焊點在PCB側發生Crack,且許多焊點的開裂面積大於50%！PCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBPCBESS:ESS:指RT27-04ESS模擬環境測試(20/min),測試條件：1.Temperature High:+85C,uncontrolled humidity 2.Temperature Low:-40C,uncontrolled humidity 3.Dwell Time:23 mins 4.Ramp Rate:20C/min22.紅墨水SEM+EDSSEM+EDSBGABGA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ESS200 CYCLESESS200 CYCLES未未ESSESS樣品樣品(SMT)(SMT)焊點側面發生斷裂驗証氣泡來源PCBPCBProfileProfile錫膏SEM+EDSSEM+EDS不同TOLTOL值 ProfileProfile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=90100sTOL=100110sTOL=5560sS廠商M廠商T廠商化銀層存在孔洞IMC附近氣泡較多TOLTOL:Time Over Liquid Time Over LiquidOKOKOK綜合S廠商+T廠商焊接斷面存在大量voidS廠商的錫膏導致了IMC附近生成大量的氣泡ESS100 CYCLESESS100 CYCLES(樣品E1)(樣品E2)焊點開裂(樣品S1)未未ESSESS樣品樣品(SMT)(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)應力集中導致應力集中導致VoidVoid附近附近IMCIMC發生發生CrackCrack提高TOL後氣泡無明顯改善23.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。SpectrumCOCuAgSnTotal(wt.%)12.5036.8960.61100.0021.805.592.6190.00100.00IMCIMCsoldersolderfracture surface fracture surface after dye and pry after dye and pry testtestcracked cracked regionregionPCBPCB24.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.微細孔洞微細孔洞斷面無法完全吻合斷面無法完全吻合u結論：焊點的開裂可能與IMC附近的大量氣泡有關。U2100U2100切片位置切片位置SpectraNiCuSnTotal (wt.%)12.9438.8658.20100.002/40.7759.23100.0031.9241.5156.58100.0043.9837.5158.51100.0051.9541.3456.72100.0061.3240.4458.24100.0025.實驗結果：氣泡的來源驗証之一：PCB(N廠商/T廠商)樣品P-n PAD表面(SEM X 2000)樣品P-t PAD表面(SEM X 2000)在N廠商 PCB PAD 表面發現大量直徑在13m的小孔洞。T廠商 PCB PAD 表面未發現異常兩種兩種PCBPCB的成品的成品焊焊點斷面點斷面形貌相似形貌相似,都存在大量小氣都存在大量小氣孔孔!N廠商焊點斷面(PCB側)(SEM X 200)T廠商焊點斷面(PCB側)(SEM X 200)u結論：結論：N N廠商廠商PCB PAD PCB PAD 上的孔上的孔洞並非洞並非焊焊點點IMCIMC附近附近產產生生氣泡的主要因子氣泡的主要因子!26.氣泡的來源驗証之二：Profile(樣品P1/P2/P3)客客戶戶要求曲線要求曲線S S廠商推薦曲線廠商推薦曲線客客戶戶要求曲線要求曲線P1(TOL=5560s)實驗曲線二實驗曲線二P2(TOL=90100s)實驗曲線三實驗曲線三(TOL=100110s)27.樣品P2(TOL=90100s)樣品P3(TOL=100110s)樣品P1(TOL=5560s)U1200U1200切片位置切片位置氣泡的來源驗証之二：Profile(樣品P1/P2/P3)TOL:Time Over LiquidTOL加長氣泡反而增多28.氣泡的來源驗証之三：錫膏驗証(Senju/Multicroe/Tamura)回流曲線：回流曲線：Customer Approval ProfileCustomer Approval Profile回回焊焊爐爐:Tamura TNR40-628PH-L: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AlloysAlloysPowder SizePowder SizeMetal LoadingMetal LoadingViscosityViscositySn 96.5:Ag3.0:Cu 0.5Sn 96.5:Ag3.0:Cu 0.5Sn 96.5:Ag3.0:Cu 0.5Sn 96.5:Ag3.0:Cu 0.5Sn 96.5:Ag3.0:Cu 0.5Sn 96.5:Ag3.0:Cu 0.520-38um20-38um25-36um25-36um20-36um20-36um88.5%88.5%88.5%88.5%88.2%88.2%200 20 Pa.s200 20 Pa.s215 Pa.s215 Pa.sPropertiesProperties1020 P1020 P29.氣泡的來源驗証之三：錫膏驗証(S廠商/M廠商/T廠商)M M廠商錫膏廠商錫膏小氣泡U1200U1200切切片片位位置置S S廠商錫膏廠商錫膏T T廠商錫膏廠商錫膏實驗結果：僅在S-s樣品焊點發現IMC附近有大量小氣泡!30.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。31.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：失效原因：改善對策：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。32.33.THANK YOUSUCCESS2024/4/21 周日34.