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2007/12/28page2of32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。page5of322.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﹐空洞面積不可超過球面積的25%。25%area焊點內的空洞可以用切片﹑X-Ray等手段觀察到。page6of322.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IncomingTypeBTypeAAfterPCAReflowTypeDTypeCTypeEpage7of32２ＲＣＯＯＨ＋ＳｎＯ（ＲＣＯＯ）２Ｓｎ＋Ｈ２Ｏ↑ＲＣＯＯＨ＋Ｒ´ＯＨＲＣＯＯＲ´＋Ｈ２Ｏ↑(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﹕page8of323.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page9of323.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。SnPb63-37SnPb10-90Void(%)Relativeactivatorcontent0510150%1%2%3%4%5%資料來源:無鉛回焊問題與對策by白蓉生page10of323.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。page11of323.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)面積小於25%。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page12of323.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。page13of323.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page14of323.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。050100150200250300060120180240300Time(s)Temperature(℃)・Peaktemperature:260℃・TOL:45seconds050100150200250300060120180240300360420Time(s)Temperature(℃)・Peaktemperature:235℃・TOL:70secondsprofileAprofileB引用自Tamura研究成果page15of323.空洞產生原因之七柯肯達爾（Kirkendall）現象Agedat150°C:after3daysAgedat150°C: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,page16of323.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﹕不等量原子擴散空位page17of323.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Cu3SnIMCAgedat150°C:after3daysAfterreflow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。page18of323.空洞產生原因之九柯肯達爾現象（Kirkendallequation）圖片來源﹕KirkendallvoidformationineutecticSnPbsolderjointsonbareCuanditseffectonjointreliabilityCu6Sn52Cu3Sn3Sn2.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。page19of323.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-ESS200-ESS300-ESS以往CASE最近發生異常100-ESS200-ESS200-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%！PCBPCBPCBPCBPCBPCBESS:指RT27-04ESS模擬環境測試(20℃/min),測試條件：1.TemperatureHigh:+85°C,uncontrolledhumidity2.TemperatureLow:-40°C,uncontrolledhumidity3.DwellTime:23mins4.RampRate:20°C/minpage22of32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ESS200CYCLES未ESS樣品(SMT)焊點側面發生斷裂驗証氣泡來源PCBProfile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=90~100sTOL=100~110sTOL=55~60sS廠商M廠商T廠商化銀層存在孔洞IMC附近氣泡較多TOL:TimeOverLiquidOKOKOK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。SpectrumCOCuAgSnTotal(wt.%)12.5036.8960.61100.0021.805.592.6190.00100.00IMCsolderfracturesurfaceafterdyeandprytestcrackedregionPCBpage24of32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.%)12.9438.8658.20100.002/40.7759.23100.0031.9241.5156.58100.0043.9837.5158.51100.0051.9541.3456.72100.0061.3240.4458.24100.00page25of32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1~3μm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=55~60s)實驗曲線二P2(TOL=90~100s)實驗曲線三(TOL=100~110s)page27of32樣品P2(TOL=90~100s)樣品P3(TOL=100~110s)樣品P1(TOL=55~60s)U1200切片位置氣泡的來源驗証之二：Profile(樣品P1/P2/P3)TOL:TimeOverLiquidTOL加長氣泡反而增多page28of32氣泡的來源驗証之三：錫膏驗証(Se