引言

 

無鉛化以后，由于無鉛焊料的潤濕性下降嚴重，組裝缺陷率明顯上升。為此，最好的辦法就是提升或改善助焊劑的助焊性能。但是提升助焊性能的方法就是增加助焊劑中固體活性物質的含量，而這些活性物質往往具有較強的腐蝕性，如果焊接工藝配合不當殘留在焊點周圍或線路板上，常常會導致腐蝕和電遷移等可靠性問題。

 

本文以PCBA電遷移失效為例，詳細介紹電遷移失效機理與分析方法，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

委托方反饋，產品在服役過程中出現功能故障，初步分析鎖定在PCBA局部漏電異常， 現針對委托方提供的1pc NG樣品及1pc OK樣品進行測試分析，查明PCBA局部漏電異常的原因和機理。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

為了確認委托方鎖定漏電位置外觀是否存在異常，將失效樣品及正常樣品PCBA取出后，利用體視顯微鏡對漏電位置進行光學檢查，結果如圖1所示。

失效樣品左、右兩個漏電位置都發現疑似異物殘留現象，殘留異物覆蓋部分焊盤表面；正常樣品同樣發現疑似異物殘留痕跡，程度較失效樣品輕微。

 

圖1. 失效樣品漏電位置及正常樣品對應位置外觀檢查照片

 

2. 絕緣電阻測試

為確認失效樣品是否存在漏電異常，將漏電位置相連線路割開后，利用漏電流測試儀分別對左、右兩個漏電位置進行絕緣電阻測試，結果如下。

失效樣品左、右兩個漏電位置絕緣電阻分別為625.9MΩ及4.820MΩ，正常情況下兩處位置絕緣電阻無窮大，故失效樣品確實存在漏電異常。

 

圖2. 失效樣品割線后左、右漏電位置

 

3. CT分析

利用CT三維斷層掃描技術，對失效樣品兩個漏電位置進行觀察分析，結果如圖3所示。

左、右兩個漏電位置均未觀察到明顯異常現象。

 

圖3. 失效樣品左、右兩個漏電位置CT觀察照片

 

4. 表面分析

利用電子掃描顯微鏡對失效樣品漏電位置及正常樣品對應位置進行形貌觀察與成分分析，結果如下。

失效樣品：如圖4及表1-2所示，漏電位置多處觀察到Sn遷移枝晶形貌及Sn結晶形貌，說明漏電位置存在電化學遷移現象；漏電位置及周圍區域發現較多助焊劑殘留現象（助焊劑主要含有C、O、Sn元素），同時發現異物殘留（整體圖紅色箭頭所指）現象，異物含有異常K元素。

 

圖4. 失效樣品漏電位置SEM圖片及EDS能譜圖

 

表1. 失效樣品漏電位置局部成分測試結果（wt.%）

 

表2. 失效樣品漏電位置整體成分測試結果（wt.%）

 

正常樣品：如圖5及表3-4所示，對應位置多處（局部1，局部2）觀察到Sn遷移枝晶形貌及Sn結晶形貌，說明正常樣品對應位置也存在電遷移現象，只是程度較失效樣品輕微；通孔之間區域（局部3）較失效樣品對應位置未發現明顯Sn結晶形貌；成分測試結果顯示，正常樣品對應位置同樣存在助焊劑殘留現象，但未發現異常K元素存在。

 

圖5. 正常樣品對應位置SEM圖片及EDS能譜圖

 

表3. 正常樣品對應位置局部成分測試結果（wt.%）

 

表4. 正常樣品對應位置整體成分測試結果（wt.%）

 

5. FTIR分析

為了確認失效樣品漏電位置異物成分，對失效樣品漏電位置及正常樣品對應位置分別進行紅外光譜分析（FTIR），結果如圖7所示。

FTIR測試結果顯示，NG樣品漏電位置異物含有脂肪酸鹽成分，與陰離子表面活性劑成分相似。

 

圖6. 失效樣品及正常樣品FTIR測試位置

 

圖7. 失效樣品漏電位置及正常樣品對應位置FTIR測試譜圖

 

6.v剖面分析

為了觀察失效樣品漏電路徑，對失效樣品漏電位置及正常樣品對應位置分別進行切片后，利用電子掃描顯微鏡對截面進行形貌觀察及成分分析，結果如下。

失效樣品：如圖8所示，切片后結果顯示：①漏電位置相鄰通孔之間存在大量Sn結晶，局部發現Sn枝晶形貌，表明通孔之間產生了電遷移現象；②通孔之間最小電氣間隙為135μm；③右側焊盤發現較多焊錫殘留現象。

 

圖8. 失效樣品漏電位置切片后截面SEM形貌及EDS圖譜

 

正常樣品：如圖9所示，切片后結果顯示：①對應通孔之間未見明顯金屬結晶及遷移形貌，主要為助焊劑殘留；②通孔之間最小電氣間隙為165μm；③右側焊盤發現少量焊錫殘留現象。

 

圖9. 正常樣品對應位置切片后截面SEM形貌及EDS圖譜

 

以上結果可知，失效樣品較正常樣品，漏電通孔之間發現較多Sn結晶及局部Sn枝晶形貌，即存在Sn遷移，同時通孔之間最小電氣間隙偏小，右側焊盤發現較多焊錫殘留現象。

 

三、總結分析

 

本案失效背景為：產品在服役過程中出現功能故障，初步分析鎖定在PCBA局部漏電異常。

 

外觀檢查結果顯示，漏電位置疑似存在異物殘留現象，殘留異物覆蓋部分焊盤表面，正常樣品對應位置存在類似現象，只是程度較輕微。

 

對失效樣品漏電位置進行絕緣電阻測試，結果顯示，兩處漏電位置絕緣電阻分別為625.9MΩ及4.820MΩ，正常情況下兩處位置絕緣電阻無窮大，故失效樣品確實存在漏電異常。

 

表面分析結果顯示：①失效樣品漏電位置及正常樣品對應位置都發現Sn遷移枝晶形貌及Sn結晶形貌，說明二者均存在電遷移現象，只是正常樣品電遷移程度較輕微；②通孔之間形貌觀察顯示，失效樣品存在明顯Sn結晶現象，而正常樣品未見明顯異常；③失效樣品漏電位置及正常樣品對應位置都發現較多助焊劑殘留現象，同時失效樣品漏電位置及周圍區域還發現異物殘留現象，異物含有異常K元素。

 

為了確認異物成分，對失效樣品漏電位置及正常樣品對應位置進行FTIR分析，結果顯示，失效樣品漏電位置異物含有脂肪酸鹽成分，與陰離子表面活性劑成分相似。

 

剖面分析結果顯示，失效樣品較正常樣品，漏電通孔之間發現較多Sn結晶及局部Sn枝晶形貌，即存在Sn遷移，同時通孔之間最小電氣間隙偏小，右側焊盤發現較多焊錫殘留現象。

 

以上結果可知，導致PCBA局部漏電異常的直接原因為失效樣品通孔之間產生了Sn遷移現象。電遷移的產生必須具備以下幾個條件：①電勢差；②金屬離子；③潮濕環境。失效樣品通孔之間距離較正常樣品偏小，相同電壓條件下，具備更高的電場強度，有利于電遷移的發生；失效樣品及正常樣品表面都發現Sn遷移枝晶形貌，推測助焊劑具有較高活性，在潮濕環境下錫的氧化物（氧化錫）容易在酸的作用下形成錫離子；失效樣品漏電位置發現了含K元素的脂肪酸鹽成分，該物質與陰離子表面活性劑成分相似，推測為清洗劑殘留，最可能為電遷移的發生提供潮濕環境。

 

故影響失效樣品電遷移的因素包括：①漏電位置焊錫及助焊劑大量殘留，為電遷移發生提供必要條件；②含K異物（脂肪酸鹽）污染，促進了電遷移的發生進程。

 

四、結論與建議

 

導致PCBA局部漏電異常的直接原因為失效樣品通孔之間產生了Sn遷移現象。Sn遷移的發生與通孔位置較多焊錫、助焊劑殘留及含K異物（脂肪酸鹽）污染有關。

 

建議：

1. 增加通孔之間距離，避免焊盤位置殘留焊錫；

2. 增加清洗工藝，避免較多助焊劑及異物殘留。

 

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