案例详解 | 焊点连锡异常失效分析

      连锡指两个及多个焊点被焊料连接在一起，造成外观及功能上不良。结构设计缺陷、工艺不良、焊料不良等都会导致元器件出现锡珠、连锡、虚焊等失效问题，影响产品使用可靠性。本文以LED灯珠焊点连锡异常为例，通过无损检测、表面分析、切片分析、成分分析等方法，分析其失效原因与机理，并提出改善建议。

      LED 显示模组表面喷墨后高温烘烤，烘烤后出现大量锡珠，且局部列亮。现进行测试分析，查找模组烘烤后出现大量锡珠的原因。

      对模组通电后进行失效现象确认，不良样品模组均出现列亮异常，未喷墨样品未见明显异常。

      体视显微镜下，对模组外观进行检查，结果如图1所示：

      不良样品模组灯珠焊点周围，外观检查均发现大量锡珠存在；而未喷墨的正常样品模组灯珠焊点周围均未见明显异常。

图1、不良样品与未喷墨正常样品光学检查照片

      利用X射线透射系统对NG#、OK#进行透射检查，结果如下：

      NG#样品模组列亮异常灯珠焊点周围发现有大量锡珠现象，局部存在连锡异常；OK#样品模组灯珠焊点周围未见明显异常。

图2、NG#和OK#透射检查照片

      对NG#灯珠局部连锡异常位置机械剥离后，利用场发射扫描电子显微镜对分开界面状况进行观察分析，结果如下：

      NG#透射检查灯珠连锡异常位置剥离灯珠后，灯珠焊盘间确实存在连锡异常；未剥离灯珠边缘也可见有明显锡珠存在；焊盘处焊锡与连锡处焊锡成分均为锡铋焊料，未见明显区别。

图3、 NG#连锡灯珠机械剥离后界面形貌及EDS成分结果

      OK#样品灯珠剥离后界面和未剥离灯珠周围均未见锡珠及连锡异常。

图4、OK#灯珠机械剥离后界面形貌及EDS成分结果

      对NG#连锡灯珠和OK#正常灯珠切片后，利用体视显微镜及场发射扫描电子显微镜对切片截面进行观察分析，结果如下：

      NG#连锡处焊锡和OK#正常焊点焊锡，两者均为锡铋焊料，形貌和成分均未见明显区别；油墨与阻焊层之间界面轮廓清晰，界限分明，未发现明显反应迹象。灯珠焊点焊锡高度对比显示：连锡灯珠的焊点焊锡高度为28.3µm，远低于正常样品灯珠焊点高度。

      以上结果可以说明：NG#连锡处焊锡来自焊点焊锡，其形成过程推测为：焊点在高温烘烤过程中熔融，被周围油墨膨胀排挤而导致连锡发生，后续对连锡形成机理进一步分析。

图5、NG#连锡灯珠切片后截面形貌及EDS成分谱图

图6.OK#灯珠焊点切片后截面形貌及EDS成分谱图

      对油墨分别进行EDS分析和FTIR分析测试，结果如下：

      油墨EDS成分分析显示：油墨含有Si/C/O/Ti/Al元素；

      油墨FTIR成分分析显示：油墨主要成分为二氧化硅填充的氨基丙烯酸树脂。

图7、油墨形貌及EDS成分分析谱图

图8、油墨FTIR分析谱图

      参考标准GB/T 11133-2015 石油产品、润滑油和添加剂中水含量的测定 尔费休库仑滴定法；对油墨中水含量进行测试，结果显示油墨中水重量百分比含量为1.38％。

8.1、 熔点测试

      将锡膏融成锡块后，参考ASTM E794-06(2018)用热分析法测定熔点和结晶温度的试验方法对锡块熔点进行测试，结果如下：

      1）焊锡熔点为138.3℃。

      2）模拟试验：焊锡+油墨（混合比例1：1）熔点为137.5℃，与未添加油墨时焊锡熔点无明显区别，说明焊锡熔点未受到油墨的影响。

图9、焊锡熔点测试曲线

图10、焊锡+油墨（比例1：1）熔点测试曲线

8.2 、油墨TG测试

      参考BS EN ISO 11358-1:2014 塑料 聚合物热重法（TG） 第1部分：通则，对油墨TG进行测试，结果如下：

      油墨质量在112.3℃-250℃之间急剧降低，说明在该温度区间，油墨发生了急剧的挥发分解反应。而焊锡熔点在137.5℃-138.3℃，油墨急剧挥发时，焊锡处于熔融状态，故焊点焊锡一定承受了来自油墨挥发及膨胀的内应力作用。

      对未喷油墨模组涂抹油墨后，分别在不同温度条件下烘烤一定时长，然后对烘烤后样品进行X-Ray透射检查，结果如下：

      1）70℃-130℃恒温烘烤后，X-Ray检查显示，模组灯珠焊锡周围未见明显锡珠异常。

      2）140℃/160℃恒温烘烤后，X-Ray检查显示，模组灯珠焊锡周围可见大量锡珠现象，不良现象与失效样品一致。

      以上结果说明，烘烤温度高于焊锡熔点后，模组灯珠焊锡周围一定会有锡珠异常的产生，而温度低于焊锡熔点时，将不会产生锡珠及连锡等异常现象。

图11.模拟喷墨烘烤后X-Ray透射检查图片

      失效复现结果显示：不良样品模组均出现列亮异常，未喷墨样品未见明显异常。

      外观检查结果显示：不良样品模组灯珠焊点周围，外观检查均发现大量锡珠存在，而未喷墨的正常样品模组灯珠焊点周围均未见明显异常。

      X-Ray透射检查显示：不良模组列亮异常灯珠焊点周围均发现有大量锡珠现象，局部存在连锡异常；未喷墨模组灯珠焊点周围未见明显异常。

      表面分析显示：透射检查灯珠连锡异常位置剥离后，灯珠焊盘间确实存在连锡异常；未剥离灯珠边缘也可见有明显锡珠存在；焊盘处焊锡与连锡处焊锡成分均为锡铋焊料，未见明显区别；未喷墨样品灯珠剥离后界面和未剥离灯珠周围均未见锡珠及连锡异常。

      剖面分析结果显示：不良模组连锡处焊锡和未喷墨模组正常灯珠焊点焊锡，两者均为锡铋焊料，形貌和成分均未见明显区别；油墨与阻焊层之间界面轮廓清晰，界限分明，未发现明显反应迹象。灯珠焊点焊锡高度对比显示：连锡灯珠的焊点焊锡高度为28.3µm，远低于正常样品灯珠焊点高度。

      以上结果可以说明：不良模组连锡处焊锡来自焊点焊锡，其形成过程推测为：焊点在高温烘烤过程中熔融，被周围油墨膨胀排挤而导致连锡发生。

      油墨成分分析显示：油墨含有Si/C/O/Ti/Al元素，其主要成分为二氧化硅填充的氨基丙烯酸树脂。油墨中水重量百分比含量为1.38％。

      热性能分析结果显示：

      1）焊锡熔点为138.3℃；模拟试验：焊锡+油墨（混合比例1：1）测试熔点为137.5℃，与未添加油墨焊锡熔点无明显区别，说明焊锡熔点未受到油墨的影响。

      2）油墨质量在112.3℃-250℃之间急剧降低，说明在该温度区间，油墨发生了急剧的挥发分解反应。焊锡熔点在137.5℃-138.3℃，油墨急剧挥发时，焊锡处于熔融状态，故焊点焊锡一定承受了来自油墨挥发及膨胀的内应力作用。

      模拟试验结果显示：

      1）70℃-130℃恒温烘烤后，X-Ray检查显示，模组灯珠焊锡周围未见明显锡珠异常。

      2）140℃/160℃恒温烘烤后，X-Ray检查显示，模组灯珠焊锡周围可见大量锡珠现象，不良现象与失效样品一致。

      以上结果说明，烘烤温度高于焊锡熔点后，模组灯珠焊锡周围一定会有锡珠异常的产生，而温度低于焊锡熔点时，将不会产生锡珠及连锡等异常现象。

      综上所述，模组发生列亮异常的直接原因为模组灯珠焊点间发生了连锡异常，而连锡产生的原因为喷墨后烘烤过程中，温度高于焊锡熔点，导致焊点焊锡熔融，而油墨在该温度下急剧挥发、膨胀，导致周围熔融焊点被排挤而出现连锡及爆锡锡珠异常。

      建议：降低烘烤温度，建议按照规格书固化工艺参数进行管理。