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1、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焊點氣泡的危害及其產生原因主要內容主要內容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空洞是焊點中常見的現象；1.空洞及其危害空洞及其危害PCBPin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PCBLead一般SMT 焊點內的空洞空洞的兩種危害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。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
2、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。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 E（）（）(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. 空洞產生空洞產生機理機理水汽：水汽：有機物裂解：有機物裂解：(3) 受潮引用自Tamura研
3、究成果氣體來源3. 空洞產生空洞產生原因原因引用自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3. 空洞產生原因空洞產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3. 空洞產生原因空洞產生原
4、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。3. 空洞產生原因空洞產生原因之三之三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3. 空洞產生原因空洞產生原因之四之四PTH破孔波峰焊時，PTH孔壁上的破孔 向外吹氣
5、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。3. 空洞產生原因空洞產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洞3. 空洞產生原因空洞產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 :
6、 260 TOL : 45 seconds Peak temperature : 235 TOL : 70 seconds profile Aprofile B 引用自Tamura研究成果3. 空洞產生原因空洞產生原因之七之七柯肯達爾（Kirkendall）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 eutecti
7、c SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability by Kejun Zeng,3. 空洞產生原因空洞產生原因之七之七柯肯達爾（Kirkendall）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3. 空洞產生原因空洞產生原因之九之九柯肯達爾現象（Kirkendall equat
8、ion） 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
9、就會形成孔洞。3. 空洞產生原因空洞產生原因之九之九柯肯達爾現象（Kirkendall 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。3. 空洞產生原因空洞產生原
10、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.銅焊盤上鍍上銅焊盤上鍍上Ni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.焊料中加焊料中加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）現象失效分析案例之空洞導致焊點失效
11、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crack;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-ESS200-ESS300-ESS以往以往CASE最近發生異常100-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%！PCBPCBPCBPCBPCBPCBESS: 指RT27-04ESS模
12、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 / min紅墨水SEM+EDSBGA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PCBProfile
13、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=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TOL: 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
14、/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Void附近附近IMC發生發生Crack提高TOL後氣泡無明顯改善焊點斷面存在大量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.%)12.5036.8960.61100.0021.805.592.6190.00100.00IMCsolderfracture surface after dye and pry testcracked regionPCB焊點IMC厚度正常，IMC附近有大量小氣孔(樣品S1)焊點的
15、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。U2100切片位置切片位置SpectraNiCuSnTotal (wt.%)12.9438.8658.20100.002/40.7759.23100.0031.9241.5156.58100.0043.9837.5158.51100.0051.9541.3456.72100.0061.3240.4458.24100.00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
16、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PCB的成品焊點斷面的成品焊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廠商廠商PCB PAD 上的孔上的孔洞並非焊點洞並非焊點IMC附近產生附近產生氣泡的主要因子氣泡的主要因子!氣泡的來源驗証之二： Profile (樣品P1/P2/P3)客戶要求曲線客戶要求曲線S S廠商推薦曲線
17、廠商推薦曲線客戶要求曲線客戶要求曲線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)樣品P2(TOL=90100s)樣品P3 (TOL=100110s)樣品P1(TOL=5560s)U1200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 Profile回焊爐回焊爐: Tamura TNR40-6
18、28PH-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AlloysPowder SizeMetal LoadingViscosity20-38um25-36um20-36um88.5%88.5%88.2%Properties1020 P氣泡的來源驗証之三：錫膏驗証(S廠商 / M廠商/T廠商) M廠商錫膏廠商錫膏小氣泡U1200切切片片位位置置S廠商錫膏廠商錫膏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!氣泡的來源驗証之三：錫
19、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。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。引用自Tamura研究成果總結：焊接總結：焊接空洞空洞來源來源空洞錫膏錫膏端子端子PCBPCBProfileProfile助焊劑活性不足錫粉氧化吸濕氧化吸濕沾污氧化吸濕沾污鍍層品質表面處理PAD設計回流時間預熱時間
