引言

 

連錫指兩個及多個焊點被焊料連接在一起，造成外觀及功能上不良。結構設計缺陷、工藝不良、焊料不良等都會導致元器件出現錫珠、連錫、虛焊等失效問題，影響產品使用可靠性。本文以LED燈珠焊點連錫異常為例，通過無損檢測、表面分析、切片分析、成分分析等方法，分析其失效原因與機理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

LED 顯示模組表面噴墨后高溫烘烤，烘烤后出現大量錫珠，且局部列亮。現進行測試分析，查找模組烘烤后出現大量錫珠的原因。

 

二、分析過程

 

1. 失效復現

對模組通電后進行失效現象確認，不良樣品模組均出現列亮異常，未噴墨樣品未見明顯異常。

 

2. 外觀檢查

體視顯微鏡下，對模組外觀進行檢查，結果如圖1所示：

不良樣品模組燈珠焊點周圍，外觀檢查均發現大量錫珠存在；而未噴墨的正常樣品模組燈珠焊點周圍均未見明顯異常。

 

圖1. 不良樣品與未噴墨正常樣品光學檢查照片

 

3. X-Ray檢查

利用X射線透射系統對NG#、OK#進行透射檢查，結果如下：

NG#樣品模組列亮異常燈珠焊點周圍發現有大量錫珠現象，局部存在連錫異常；OK#樣品模組燈珠焊點周圍未見明顯異常。

 

圖2. NG#和OK#透射檢查照片

 

4. 表面分析

對NG#燈珠局部連錫異常位置機械剝離后，利用場發射掃描電子顯微鏡對分開界面狀況進行觀察分析，結果如下：

NG#透射檢查燈珠連錫異常位置剝離燈珠后，燈珠焊盤間確實存在連錫異常；未剝離燈珠邊緣也可見有明顯錫珠存在；焊盤處焊錫與連錫處焊錫成分均為錫鉍焊料，未見明顯區別。

 

圖3. NG#連錫燈珠機械剝離后界面形貌及EDS成分結果

 

OK#樣品燈珠剝離后界面和未剝離燈珠周圍均未見錫珠及連錫異常。

 

圖4. OK#燈珠機械剝離后界面形貌及EDS成分結果

 

5. 剖面分析

對NG#連錫燈珠和OK#正常燈珠切片后，利用體視顯微鏡及場發射掃描電子顯微鏡對切片截面進行觀察分析，結果如下：

NG#連錫處焊錫和OK#正常焊點焊錫，兩者均為錫鉍焊料，形貌和成分均未見明顯區別；油墨與阻焊層之間界面輪廓清晰，界限分明，未發現明顯反應跡象。燈珠焊點焊錫高度對比顯示：連錫燈珠的焊點焊錫高度為28.3µm，遠低于正常樣品燈珠焊點高度。

以上結果可以說明：NG#連錫處焊錫來自焊點焊錫，其形成過程推測為：焊點在高溫烘烤過程中熔融，被周圍油墨膨脹排擠而導致連錫發生，后續對連錫形成機理進一步分析。

 

圖5. NG#連錫燈珠切片后截面形貌及EDS成分譜圖

 

圖6. OK#燈珠焊點切片后截面形貌及EDS成分譜圖

 

6. 油墨成分分析

對油墨分別進行EDS分析和FTIR分析測試，結果如下：

油墨EDS成分分析顯示：油墨含有Si/C/O/Ti/Al元素；

油墨FTIR成分分析顯示：油墨主要成分為二氧化硅填充的氨基丙烯酸樹脂。

 

圖7. 油墨形貌及EDS成分分析譜圖

 

圖8. 油墨FTIR分析譜圖

 

7. 油墨含水量測試

參考標準GB/T 11133-2015 石油產品、潤滑油和添加劑中水含量的測定爾費休庫侖滴定法；對油墨中水含量進行測試，結果顯示油墨中水重量百分比含量為1.38％。

 

8. 熱性能分析

8.1 熔點測試

將錫膏融成錫塊后，參考ASTM E794-06(2018)用熱分析法測定熔點和結晶溫度的試驗方法對錫塊熔點進行測試，結果如下：

1）焊錫熔點為138.3℃。

2）模擬試驗：焊錫+油墨（混合比例1：1）熔點為137.5℃，與未添加油墨時焊錫熔點無明顯區別，說明焊錫熔點未受到油墨的影響。

 

圖9. 焊錫熔點測試曲線

 

圖10. 焊錫+油墨（比例1：1）熔點測試曲線

 

8.2 油墨TG測試

參考BS EN ISO 11358-1:2014 塑料 聚合物熱重法（TG） 第1部分：通則，對油墨TG進行測試，結果如下：

油墨質量在112.3℃-250℃之間急劇降低，說明在該溫度區間，油墨發生了急劇的揮發分解反應。而焊錫熔點在137.5℃-138.3℃，油墨急劇揮發時，焊錫處于熔融狀態，故焊點焊錫一定承受了來自油墨揮發及膨脹的內應力作用。

 

9. 模擬試驗

對未噴油墨模組涂抹油墨后，分別在不同溫度條件下烘烤一定時長，然后對烘烤后樣品進行X-Ray透射檢查，結果如下：

1）70℃-130℃恒溫烘烤后，X-Ray檢查顯示，模組燈珠焊錫周圍未見明顯錫珠異常。

2）140℃/160℃恒溫烘烤后，X-Ray檢查顯示，模組燈珠焊錫周圍可見大量錫珠現象，不良現象與失效樣品一致。

以上結果說明，烘烤溫度高于焊錫熔點后，模組燈珠焊錫周圍一定會有錫珠異常的產生，而溫度低于焊錫熔點時，將不會產生錫珠及連錫等異?，F象。

 

圖11. 模擬噴墨烘烤后X-Ray透射檢查圖片

 

三、總結分析

 

失效復現結果顯示：不良樣品模組均出現列亮異常，未噴墨樣品未見明顯異常。

 

外觀檢查結果顯示：不良樣品模組燈珠焊點周圍，外觀檢查均發現大量錫珠存在，而未噴墨的正常樣品模組燈珠焊點周圍均未見明顯異常。

 

X-Ray透射檢查顯示：不良模組列亮異常燈珠焊點周圍均發現有大量錫珠現象，局部存在連錫異常；未噴墨模組燈珠焊點周圍未見明顯異常。

 

表面分析顯示：透射檢查燈珠連錫異常位置剝離后，燈珠焊盤間確實存在連錫異常；未剝離燈珠邊緣也可見有明顯錫珠存在；焊盤處焊錫與連錫處焊錫成分均為錫鉍焊料，未見明顯區別；未噴墨樣品燈珠剝離后界面和未剝離燈珠周圍均未見錫珠及連錫異常。

 

剖面分析結果顯示：不良模組連錫處焊錫和未噴墨模組正常燈珠焊點焊錫，兩者均為錫鉍焊料，形貌和成分均未見明顯區別；油墨與阻焊層之間界面輪廓清晰，界限分明，未發現明顯反應跡象。燈珠焊點焊錫高度對比顯示：連錫燈珠的焊點焊錫高度為28.3µm，遠低于正常樣品燈珠焊點高度。

 

以上結果可以說明：不良模組連錫處焊錫來自焊點焊錫，其形成過程推測為：焊點在高溫烘烤過程中熔融，被周圍油墨膨脹排擠而導致連錫發生。

 

油墨成分分析顯示：油墨含有Si/C/O/Ti/Al元素，其主要成分為二氧化硅填充的氨基丙烯酸樹脂。油墨中水重量百分比含量為1.38％。

 

熱性能分析結果顯示：

1）焊錫熔點為138.3℃；模擬試驗：焊錫+油墨（混合比例1：1）測試熔點為137.5℃，與未添加油墨焊錫熔點無明顯區別，說明焊錫熔點未受到油墨的影響。

2）油墨質量在112.3℃-250℃之間急劇降低，說明在該溫度區間，油墨發生了急劇的揮發分解反應。焊錫熔點在137.5℃-138.3℃，油墨急劇揮發時，焊錫處于熔融狀態，故焊點焊錫一定承受了來自油墨揮發及膨脹的內應力作用。

 

模擬試驗結果顯示：

1）70℃-130℃恒溫烘烤后，X-Ray檢查顯示，模組燈珠焊錫周圍未見明顯錫珠異常。

2）140℃/160℃恒溫烘烤后，X-Ray檢查顯示，模組燈珠焊錫周圍可見大量錫珠現象，不良現象與失效樣品一致。

 

以上結果說明，烘烤溫度高于焊錫熔點后，模組燈珠焊錫周圍一定會有錫珠異常的產生，而溫度低于焊錫熔點時，將不會產生錫珠及連錫等異?，F象。

 

四、結論與建議

 

綜上所述，模組發生列亮異常的直接原因為模組燈珠焊點間發生了連錫異常，而連錫產生的原因為噴墨后烘烤過程中，溫度高于焊錫熔點，導致焊點焊錫熔融，而油墨在該溫度下急劇揮發、膨脹，導致周圍熔融焊點被排擠而出現連錫及爆錫錫珠異常。

 

改善建議

降低烘烤溫度，建議按照規格書固化工藝參數進行管理。

 

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