焊点气泡的危害及其产生原因

焊點氣泡的危害及其產生原因,焊點氣泡的危害及其產生原因,SMT-LAB賀顯揚,2007/12/28,page2of32,主要內容,1.空洞及其危害2.空洞允收標準3.空洞產生原因4.空洞致焊點失效案例,page3of32,空洞是焊點中常見的現象；,1.空洞及其危害,空洞對焊點的危害較大，統計分析顯示，與空洞有關的失效佔到了PCBA失效的20%；,BGA錫球內的空洞,PTH焊點內的空洞,一般SMT焊點內的空洞,page4of32,空洞的兩種危害,1.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。,page5of32,2.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topview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。,page6of32,2.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,page7of32,（）,(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.空洞產生機理,水汽：,有機物裂解：,(3)受潮,引用自Tamura研究成果,氣體來源,page8of32,3.空洞產生原因,引用自Tamura研究成果,助焊劑活性不足,三成員(引腳、焊錫、PCBPAD)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,page9of32,3.空洞產生原因之一,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。,Void(%),Relativeactivatorcontent,0,5,10,15,0%,1%,2%,3%,4%,5%,資料來源:by白蓉生,page10of32,3.空洞產生原因之二,三成員(引腳、焊錫、PCBPAD)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。,page11of32,3.空洞產生原因之三,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,page12of32,3.空洞產生原因之四,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。,page13of32,3.空洞產生原因之五,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,page14of32,3.空洞產生原因之六,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。,Peaktemperature:260TOL:45seconds,Peaktemperature:235TOL:70seconds,profileA,profileB,引用自Tamura研究成果,page15of32,3.空洞產生原因之七,柯肯達爾（Kirkendall）現象,Agedat150C:after3days,Agedat150C:after20days,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KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliabilitybyKejunZeng,page16of32,3.空洞產生原因之七,柯肯達爾（Kirkendall）現象,圖片來源KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliabilitybyKejunZeng,柯肯達爾孔洞機理,不等量原子擴散,page17of32,3.空洞產生原因之九,柯肯達爾現象（Kirkendallequation）,柯肯達爾孔洞的兩種生成機制,扇貝型Cu6Sn5IMC,連續的Cu6Sn5和Cu3SnIMC,Agedat150C:after3days,Afterreflow,圖片來源KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliabilitybyKejunZeng,1.基底Cu擴散焊接完成后焊點的Cu6Sn5IMC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。,page18of32,3.空洞產生原因之九,柯肯達爾現象（Kirkendallequation）,圖片來源KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliability,2.Cu3SnIMC層的生長在焊接剛剛完成時焊點中的Cu3SnIMC是很少甚至沒有的老化過程中會發生如下反應導致Cu3SnIMC生長：,反應中生成的Sn會向Cu底擴散從而在Cu3SnIMC中留下空位形成孔洞。,page19of32,3.空洞產生原因之七,圖片來源KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliability,柯肯達爾現象的防范1.銅焊盤上鍍上Ni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.焊料中加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（Kirkendall）現象,page20of32,失效分析案例之,空洞導致焊點失效,page21of32,問題描述(樣品E1/E2),焊點100cycleESS的情況下不會發生crack;200cycleESS後,部分焊點在PCB側發生Crack;300cycleESS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-ESS,200-ESS,300-ESS,以往CASE,最近發生異常,100-ESS,200-ESS,200-ESS,100cycleESS後.部分焊點在PCB側已發生Crack！200cycleESS後,更多焊點在PCB側發生Crack,且許多焊點的開裂面積大於50%！,PCB,PCB,PCB,PCB,PCB,PCB,ESS:指RT27-04ESS模擬環境測試(20/min),測試條件：1.TemperatureHigh:+85C,uncontrolledhumidity2.TemperatureLow:-40C,uncontrolledhumidity3.DwellTime:23mins4.RampRate:20C/min,page22of32,紅墨水,SEM+EDS,BGA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,ESS200CYCLES,未ESS樣品(SMT),焊點側面發生斷裂,驗証氣泡來源,PCB,Profile,錫膏,SEM+EDS,不同TOL值Profile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=90100s,TOL=100110s,TOL=5560s,S廠商,M廠商,T廠商,化銀層存在孔洞,IMC附近氣泡較多,TOL:TimeOverLiquid,OK,OK,OK,綜合,S廠商+T廠商焊接,斷面存在大量void,S廠商的錫膏導致了IMC附近生成大量的氣泡,ESS100CYCLES,(樣品E1),(樣品E2),焊點開裂,(樣品S1),未ESS樣品(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Void附近IMC發生Crack,提高TOL後氣泡無明顯改善,page23of32,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。,IMC,solder,fracturesurfaceafterdyeandprytest,crackedregion,PCB,page24of32,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,斷面無法完全吻合,結論：焊點的開裂可能與IMC附近的大量氣泡有關。,U2100,切片位置,page25of32,實驗結果：,氣泡的來源驗証之一：PCB(N廠商/T廠商),樣品P-nPAD表面(SEMX2000),樣品P-tPAD表面(SEMX2000),在N廠商PCBPAD表面發現大量直徑在13m的小孔洞。T廠商PCBPAD表面未發現異常兩種PCB的成品焊點斷面形貌相似,都存在大量小氣孔!,N廠商焊點斷面(PCB側)(SEMX200),T廠商焊點斷面(PCB側)(SEMX200),結論：N廠商PCBPAD上的孔洞並非焊點IMC附近產生氣泡的主要因子!,page26of32,氣泡的來源驗証之二：Profile(樣品P1/P2/P3),客戶要求曲線,S廠商推薦曲線,客戶要求曲線P1(TOL=5560s),實驗曲線二P2(TOL=90100s),實驗曲線三(TOL=100110s),page27of32,樣品P2(TOL=90100s),樣品P3(TOL=100110s),樣品P1(TOL=5560s),U1200,切片位置,氣泡的來源驗証之二：Profile(樣品P1/P2/P3),TOL:TimeOverLiquid,TOL加長氣泡反而增多,page28of32,氣泡的來源驗証之三：錫膏驗証(Senju/Multicroe/Tamura),回流曲線：CustomerApprovalProfile,回焊爐:TamuraTNR40-628PH-L,使用S廠商、M廠商、T廠商三種錫膏在同一Profile(Customerapprovalprofile)、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,Alloys,PowderSize,MetalLoading,Viscosity,Sn96.5:Ag3.0:Cu0.5,Sn96.5:Ag3.0:Cu0.5,Sn96.5:Ag3.0:Cu0.5,20-38um,25-36um,20-36um,88.5%,88.5%,88.2%,20020Pa.s,215Pa.s,Properties,1020P,page29of32,氣泡的來源驗証之三：錫膏驗証(S廠商/M廠商/T廠商),M廠商錫膏,小氣泡,U1200,切片位置,S廠商錫膏,T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!,page30of32,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。,page31of32,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)