【SMT】焊点气泡的危害及其产生原因

1、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 PCB Pin 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 PCB Lead 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 內的氣泡。 I

2、PC-A610D要求從top view觀察空洞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 Incoming Type B Type A After PCA Reflow Type D Type C Type 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)

3、受潮 引用自Tamura研究成果 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 助焊劑活性缺乏 三成員(引腳、焊錫、PCB PAD) 吸水、氧化 PAD設計(盤上via) 破孔 外表處理 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 助焊劑活性缺乏 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。 SnPb63-37 SnPb10-90 Void (%) Relative activator content 0 510 15 0% 1

4、% 2% 3% 4% 5% 資料來源 : by 白蓉生 3. 空洞產生原因空洞產生原因之二之二 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、氧化易完全去除，潤濕速度較 慢，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

5、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 外表處理 外表處理層防氧化到位導致焊 接時候空洞較多。 OSP等有機外表處理會由于有機 膜裂解而產生空洞。 裸銅板會由于氧化而生成大量氣泡 OSP膜在焊接時假设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

6、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。 0 50 100 150 200 250 300 060120180240300 Time (s) Temperature () Peak temperature : 260 TOL : 45 seconds 0 50 100 150 200 250 300 060120180240300360420 Time (s) Temperature () Peak temperature : 235 TOL : 70 seconds profile Aprofile B 引用自Tamura研究成果 3

7、. 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 eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability by Kejun Zeng, 3. 空洞產生原

8、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 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 equation 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 days After r

9、eflow 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。 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

10、 in eutectic SnPb solder joints on bare Cu and its effect on joint reliability Cu6Sn52Cu3Sn3Sn 2. 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因之七之七 圖片來源Kirkendall void formation in eutectic SnPb solder joints on bare Cu

11、and its effect on joint reliability 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 后擴散根本停止。 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 問題描述(樣品E1/E2) u焊點100 cycle ESS的情況下不會發生crack; u200cycle ESS後,局部焊點在PCB側發生Crack;

12、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-ESS 200-ESS300-ESS 以往以往CASE最近發生異常 100-ESS 200-ESS200-ESS 100cycle ESS後.局部焊點在PCB側已發生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%！ PCB PCB PCB PCB PCBPCB ESS: 指RT27-04ESS模擬環境測試(20/min),測試條件： 1. Temperature High: +85C, uncontrolled humidit

13、y 2. Temperature Low: -40C,uncontrolled humidity 3. Dwell Time: 23 mins 4. Ramp Rate: 20C / min 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 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 PCB Profile 錫膏 SEM+EDS 同TOL值 Profile過爐 採用同廠商 的錫膏焊接 (N廠商PCB) 實驗流程 ?

14、 ? 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: Time Over Liquid 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 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/P3) (S廠商/M廠商/T廠

15、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.%) 12.5036.8960.61100.00 21.805.592.6190.00100.00 IMC solder fracture surface after dye and pry test cracked region PCB 焊點IMC厚度正常，IMC附近有大量小氣孔(樣品S1)

16、 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.%) 12.9438.8658.20100.00 2/40.7759.23100.00 31.9241.5156.58100.00 43.9837.5158.51100.00 51.9541.3456.72100.00 61.3240.4458.24100.00 實驗結果： 氣泡的來源驗証之一：PC

17、B (N廠商/T廠商) 樣品P-n PAD外表 (SEM X 2000) 樣品P-t PAD外表 (SEM X 2000) 在N廠商 PCB PAD 外表 發現大量直徑在13m的 小孔洞。 T廠商 PCB PAD 外表未 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) (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

18、線客戶要求曲線 S S廠商推薦曲線廠商推薦曲線 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 Liquid TOL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 TNR40-628PH-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