焊点开裂失效原因分析

xiaoming11

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案例背景

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某客户通过SMT工艺焊接器件后发现存在焊点结合强度较低，器件易脱落的缺陷，委托广电计量凭借专业的技术与设备分析其失效原因并借此改进工艺。

分析过程

外部目检

样品的外部目检形貌可见脱落器件处的PCB焊盘表面发黑，脱落器件两端焊点有较多焊锡残留，且断裂面颜色与焊盘相似。说明器件焊点断裂端靠近PCB焊盘，结合PCB焊盘的电镀工艺为化学镍金，推测其缺陷与黑焊盘的相关性较大。

未焊接焊盘表面金层颜色异常，有较多深色区域参杂其中。

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镍腐蚀检测

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在扫描电镜下观察未焊接焊盘的金层，可见其表面粗糙，有较多凹陷纹路。使用去金水去除表面金层后，可见镍层表面有大量被过度氧化腐蚀后形成的龟裂状纹路。

制样镜检

将掉件器件固封研磨后观察焊点断裂截面。

结果可见器件断裂面为IMC底部，且IMC生长不均匀，焊盘镍层表面有镍腐蚀形貌。未掉落器件的焊点截面可见其IMC生长也不均匀，且在IMC底部出现多处伴随镍腐蚀痕迹的裂隙。

备注：IMC为金属间化合物，英文全称为Intermetallic Compound。，它是界面反应的产物，也作为形成良好焊点的一个标志。

成分分析

对掉件处的PCB焊盘表面及其截面进行成分分析检测，结果未见异常元素，排出异常元素污染导致的器件掉落。磷元素含量显示其为高磷范畴。

表1 焊盘的成分分析结果

综合分析

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外部目检可见掉件焊盘表面发黑，疑似镍腐蚀导致的黑焊盘现象。通过对掉件处的PCB焊盘进行制样镜检后可以看出镍层存在多处镍腐蚀迹象，PCB端的IMC生长不均匀且焊点断裂区域为该IMC底部。

对未焊接焊盘进行剥金处理后可见镍层表面存在明显的镍晶界腐蚀。对未掉落器件焊点进行制样镜检后可见IMC生长仍不均匀，且镍层存在多处镍腐蚀形貌，部分镍腐蚀处的镍层和IMC层之间存在裂缝。成分分析结果显示焊点断裂面无异常元素，排出异常元素污染导致掉件。

综上所述，样品掉件原因推断为焊盘镍层在浸镀金液时受到过度腐蚀导致镍层表面氧化。焊接过程中低可焊性的氧化镍无法与焊锡形成均匀连续的IMC，且易在IMC和镍层之间出现焊点开裂现象。这将导致焊点结合强度下降，在机械应力的作用下易脱离焊盘。

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结论

样品掉件原因为客户的PCB焊盘镍层有较多镍腐蚀导致焊接后的器件焊点IMC不均匀且有裂隙产生，使焊点结合强度下降，在后续使用中收到机械应力作用引发器件掉件。

工艺改进建议

1.减小化镍槽的寿命，控制磷含量。磷含量较低时，镍层的抗蚀性较差，而磷含量较高时，需要注意富磷层的危害。针对现有情况，可以适当提高磷含量，在镍腐蚀结果得到改善的同时评估是否会产生富磷层危害。

2.建议客户增加对镍层厚度的监控，使镍层厚度至少控制在4μm以上，一定厚度的镍层可以使其表面平坦，减少凹槽的形成，降低金液对镍晶界的攻击。

3.建议客户将金层厚度控制在0.1μm以内，较薄的金层可以减小镀金的浸泡时间，同时也降低了金脆风险。但需要确保金层对镍层的保护作用在可接受范围内。

结果

按照建议更换了使用时间较长的镀金液，减少了浸泡时间。最终焊盘镍层的腐蚀情况有所改善，大大减少了后续掉件的情况，节约了后续风险处理的费用。

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镍层要注意

starskyuu

磷含量高了

瞪郜望源_21

不错不错，很是美味和有料，值得期待，学习下