引言

 

連錫指兩個(gè)及多個(gè)焊點(diǎn)被焊料連接在一起，造成外觀及功能上不良。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷、工藝不良、焊料不良等都會(huì)導(dǎo)致元器件出現(xiàn)錫珠、連錫、虛焊等失效問(wèn)題，影響產(chǎn)品使用可靠性。本文以LED燈珠焊點(diǎn)連錫異常為例，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、表面分析、切片分析、成分分析等方法，分析其失效原因與機(jī)理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

LED 顯示模組表面噴墨后高溫烘烤，烘烤后出現(xiàn)大量錫珠，且局部列亮。現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試分析，查找模組烘烤后出現(xiàn)大量錫珠的原因。

 

二、分析過(guò)程

 

1. 失效復(fù)現(xiàn)

對(duì)模組通電后進(jìn)行失效現(xiàn)象確認(rèn)，不良樣品模組均出現(xiàn)列亮異常，未噴墨樣品未見(jiàn)明顯異常。

 

2. 外觀檢查

體視顯微鏡下，對(duì)模組外觀進(jìn)行檢查，結(jié)果如圖1所示：

不良樣品模組燈珠焊點(diǎn)周?chē)庥^檢查均發(fā)現(xiàn)大量錫珠存在；而未噴墨的正常樣品模組燈珠焊點(diǎn)周?chē)匆?jiàn)明顯異常。

 

圖1. 不良樣品與未噴墨正常樣品光學(xué)檢查照片

 

3. X-Ray檢查

利用X射線透射系統(tǒng)對(duì)NG#、OK#進(jìn)行透射檢查，結(jié)果如下：

NG#樣品模組列亮異常燈珠焊點(diǎn)周?chē)l(fā)現(xiàn)有大量錫珠現(xiàn)象，局部存在連錫異常；OK#樣品模組燈珠焊點(diǎn)周?chē)匆?jiàn)明顯異常。

 

圖2. NG#和OK#透射檢查照片

 

4. 表面分析

對(duì)NG#燈珠局部連錫異常位置機(jī)械剝離后，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)分開(kāi)界面狀況進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如下：

NG#透射檢查燈珠連錫異常位置剝離燈珠后，燈珠焊盤(pán)間確實(shí)存在連錫異常；未剝離燈珠邊緣也可見(jiàn)有明顯錫珠存在；焊盤(pán)處焊錫與連錫處焊錫成分均為錫鉍焊料，未見(jiàn)明顯區(qū)別。

 

圖3. NG#連錫燈珠機(jī)械剝離后界面形貌及EDS成分結(jié)果

 

OK#樣品燈珠剝離后界面和未剝離燈珠周?chē)匆?jiàn)錫珠及連錫異常。

 

圖4. OK#燈珠機(jī)械剝離后界面形貌及EDS成分結(jié)果

 

5. 剖面分析

對(duì)NG#連錫燈珠和OK#正常燈珠切片后，利用體視顯微鏡及場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)切片截面進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如下：

NG#連錫處焊錫和OK#正常焊點(diǎn)焊錫，兩者均為錫鉍焊料，形貌和成分均未見(jiàn)明顯區(qū)別；油墨與阻焊層之間界面輪廓清晰，界限分明，未發(fā)現(xiàn)明顯反應(yīng)跡象。燈珠焊點(diǎn)焊錫高度對(duì)比顯示：連錫燈珠的焊點(diǎn)焊錫高度為28.3µm，遠(yuǎn)低于正常樣品燈珠焊點(diǎn)高度。

以上結(jié)果可以說(shuō)明：NG#連錫處焊錫來(lái)自焊點(diǎn)焊錫，其形成過(guò)程推測(cè)為：焊點(diǎn)在高溫烘烤過(guò)程中熔融，被周?chē)湍蛎浥艛D而導(dǎo)致連錫發(fā)生，后續(xù)對(duì)連錫形成機(jī)理進(jìn)一步分析。

 

圖5. NG#連錫燈珠切片后截面形貌及EDS成分譜圖

 

圖6. OK#燈珠焊點(diǎn)切片后截面形貌及EDS成分譜圖

 

6. 油墨成分分析

對(duì)油墨分別進(jìn)行EDS分析和FTIR分析測(cè)試，結(jié)果如下：

油墨EDS成分分析顯示：油墨含有Si/C/O/Ti/Al元素；

油墨FTIR成分分析顯示：油墨主要成分為二氧化硅填充的氨基丙烯酸樹(shù)脂。

 

圖7. 油墨形貌及EDS成分分析譜圖

 

圖8. 油墨FTIR分析譜圖

 

7. 油墨含水量測(cè)試

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11133-2015 石油產(chǎn)品、潤(rùn)滑油和添加劑中水含量的測(cè)定爾費(fèi)休庫(kù)侖滴定法；對(duì)油墨中水含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示油墨中水重量百分比含量為1.38％。

 

8. 熱性能分析

8.1 熔點(diǎn)測(cè)試

將錫膏融成錫塊后，參考ASTM E794-06(2018)用熱分析法測(cè)定熔點(diǎn)和結(jié)晶溫度的試驗(yàn)方法對(duì)錫塊熔點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下：

1）焊錫熔點(diǎn)為138.3℃。

2）模擬試驗(yàn)：焊錫+油墨（混合比例1：1）熔點(diǎn)為137.5℃，與未添加油墨時(shí)焊錫熔點(diǎn)無(wú)明顯區(qū)別，說(shuō)明焊錫熔點(diǎn)未受到油墨的影響。

 

圖9. 焊錫熔點(diǎn)測(cè)試曲線

 

圖10. 焊錫+油墨（比例1：1）熔點(diǎn)測(cè)試曲線

 

8.2 油墨TG測(cè)試

參考BS EN ISO 11358-1:2014 塑料 聚合物熱重法（TG） 第1部分：通則，對(duì)油墨TG進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下：

油墨質(zhì)量在112.3℃-250℃之間急劇降低，說(shuō)明在該溫度區(qū)間，油墨發(fā)生了急劇的揮發(fā)分解反應(yīng)。而焊錫熔點(diǎn)在137.5℃-138.3℃，油墨急劇揮發(fā)時(shí)，焊錫處于熔融狀態(tài)，故焊點(diǎn)焊錫一定承受了來(lái)自油墨揮發(fā)及膨脹的內(nèi)應(yīng)力作用。

 

9. 模擬試驗(yàn)

對(duì)未噴油墨模組涂抹油墨后，分別在不同溫度條件下烘烤一定時(shí)長(zhǎng)，然后對(duì)烘烤后樣品進(jìn)行X-Ray透射檢查，結(jié)果如下：

1）70℃-130℃恒溫烘烤后，X-Ray檢查顯示，模組燈珠焊錫周?chē)匆?jiàn)明顯錫珠異常。

2）140℃/160℃恒溫烘烤后，X-Ray檢查顯示，模組燈珠焊錫周?chē)梢?jiàn)大量錫珠現(xiàn)象，不良現(xiàn)象與失效樣品一致。

以上結(jié)果說(shuō)明，烘烤溫度高于焊錫熔點(diǎn)后，模組燈珠焊錫周?chē)欢〞?huì)有錫珠異常的產(chǎn)生，而溫度低于焊錫熔點(diǎn)時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生錫珠及連錫等異常現(xiàn)象。

 

圖11. 模擬噴墨烘烤后X-Ray透射檢查圖片

 

三、總結(jié)分析

 

失效復(fù)現(xiàn)結(jié)果顯示：不良樣品模組均出現(xiàn)列亮異常，未噴墨樣品未見(jiàn)明顯異常。

 

外觀檢查結(jié)果顯示：不良樣品模組燈珠焊點(diǎn)周?chē)庥^檢查均發(fā)現(xiàn)大量錫珠存在，而未噴墨的正常樣品模組燈珠焊點(diǎn)周?chē)匆?jiàn)明顯異常。

 

X-Ray透射檢查顯示：不良模組列亮異常燈珠焊點(diǎn)周?chē)l(fā)現(xiàn)有大量錫珠現(xiàn)象，局部存在連錫異常；未噴墨模組燈珠焊點(diǎn)周?chē)匆?jiàn)明顯異常。

 

表面分析顯示：透射檢查燈珠連錫異常位置剝離后，燈珠焊盤(pán)間確實(shí)存在連錫異常；未剝離燈珠邊緣也可見(jiàn)有明顯錫珠存在；焊盤(pán)處焊錫與連錫處焊錫成分均為錫鉍焊料，未見(jiàn)明顯區(qū)別；未噴墨樣品燈珠剝離后界面和未剝離燈珠周?chē)匆?jiàn)錫珠及連錫異常。

 

剖面分析結(jié)果顯示：不良模組連錫處焊錫和未噴墨模組正常燈珠焊點(diǎn)焊錫，兩者均為錫鉍焊料，形貌和成分均未見(jiàn)明顯區(qū)別；油墨與阻焊層之間界面輪廓清晰，界限分明，未發(fā)現(xiàn)明顯反應(yīng)跡象。燈珠焊點(diǎn)焊錫高度對(duì)比顯示：連錫燈珠的焊點(diǎn)焊錫高度為28.3µm，遠(yuǎn)低于正常樣品燈珠焊點(diǎn)高度。

 

以上結(jié)果可以說(shuō)明：不良模組連錫處焊錫來(lái)自焊點(diǎn)焊錫，其形成過(guò)程推測(cè)為：焊點(diǎn)在高溫烘烤過(guò)程中熔融，被周?chē)湍蛎浥艛D而導(dǎo)致連錫發(fā)生。

 

油墨成分分析顯示：油墨含有Si/C/O/Ti/Al元素，其主要成分為二氧化硅填充的氨基丙烯酸樹(shù)脂。油墨中水重量百分比含量為1.38％。

 

熱性能分析結(jié)果顯示：

1）焊錫熔點(diǎn)為138.3℃；模擬試驗(yàn)：焊錫+油墨（混合比例1：1）測(cè)試熔點(diǎn)為137.5℃，與未添加油墨焊錫熔點(diǎn)無(wú)明顯區(qū)別，說(shuō)明焊錫熔點(diǎn)未受到油墨的影響。

2）油墨質(zhì)量在112.3℃-250℃之間急劇降低，說(shuō)明在該溫度區(qū)間，油墨發(fā)生了急劇的揮發(fā)分解反應(yīng)。焊錫熔點(diǎn)在137.5℃-138.3℃，油墨急劇揮發(fā)時(shí)，焊錫處于熔融狀態(tài)，故焊點(diǎn)焊錫一定承受了來(lái)自油墨揮發(fā)及膨脹的內(nèi)應(yīng)力作用。

 

模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示：

1）70℃-130℃恒溫烘烤后，X-Ray檢查顯示，模組燈珠焊錫周?chē)匆?jiàn)明顯錫珠異常。

2）140℃/160℃恒溫烘烤后，X-Ray檢查顯示，模組燈珠焊錫周?chē)梢?jiàn)大量錫珠現(xiàn)象，不良現(xiàn)象與失效樣品一致。

 

以上結(jié)果說(shuō)明，烘烤溫度高于焊錫熔點(diǎn)后，模組燈珠焊錫周?chē)欢〞?huì)有錫珠異常的產(chǎn)生，而溫度低于焊錫熔點(diǎn)時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生錫珠及連錫等異常現(xiàn)象。

 

四、結(jié)論與建議

 

綜上所述，模組發(fā)生列亮異常的直接原因?yàn)槟＝M燈珠焊點(diǎn)間發(fā)生了連錫異常，而連錫產(chǎn)生的原因?yàn)閲娔蠛婵具^(guò)程中，溫度高于焊錫熔點(diǎn)，導(dǎo)致焊點(diǎn)焊錫熔融，而油墨在該溫度下急劇揮發(fā)、膨脹，導(dǎo)致周?chē)廴诤更c(diǎn)被排擠而出現(xiàn)連錫及爆錫錫珠異常。

 

改善建議

降低烘烤溫度，建議按照規(guī)格書(shū)固化工藝參數(shù)進(jìn)行管理。

 

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