漏電原因逐步揭秘！手機電池存在輕微漏電現象失效分析

 

引言

 

某款手機電池在老化試驗后，發現存在不開機、輸出電壓異常的不良現象。檢查發現電池PCBA上的某芯片引腳之間存在熱點，有輕微漏電現象。現測試分析，查找電池漏電原因。

 

測試分析

 

1 外觀檢查

 

對失效電池和正常電池上的PCBA板進行外觀檢查，失效電池U2和U3表面保護膠與PCB板結合良好，未發現開裂、氣孔等明顯不良現象；正常電池PCBA上器件未點膠，表面亦未發現明顯異?，F象。

 

2 電學性能及紅外熱性定位測試

 

分別對失效電池和正常電池中的電芯電壓和電池輸出電壓進行測量，測試結果見表1。發現失效電池中#5電池輸出電壓明顯存在異常，其余失效電池和正常電池中，電芯電壓與電池輸出電壓相差較小，未發現異常。因此確認失效電池中PCBA模塊存在異常。

 

表1 失效電池和正常電池的電芯電壓和輸出電壓結果

 

為了確認失效電池中是否存在漏電熱點現象，現對失效電池和正常電池進行顯微紅外熱像測試，發現#5失效電池中U3芯片的引腳3和2之間存在熱點，如圖1所示，其他失效電池中未發現明顯熱點。

 

圖1 #5失效電池熱點位置示意圖

 

3 表面SEM+EDS分析

 

據紅外熱像結果，將#5失效電池進行剝膠處理，發現U3芯片的引腳3和2和對應的熱封膠表面存在類似電遷移物質。該電遷移類物質正好將芯片上的引腳3和2之間連接，如圖2所示，通過對該電遷移類物質進行成分分析，其主要元素為C、O、Cl、Sn、Ni，其中Cl為異常元素，且含量異常的高，如表2所示。

 

圖2 #5失效電池U3芯片引腳3和2之間SEM圖片

 

表2 #5失效電池U3芯片引腳3和2之間異物EDS測試結果(Wt%)

 

通過對U3芯片的1~3引腳表面和對應的熱封膠表面進行形貌觀察和成分分析，如圖3和表3所示，發現引腳表面錫焊料存在不同程度的腐蝕情況，對應的熱封膠表面也存在掉落后的腐蝕錫塊。通過對腐蝕錫塊表面進行成分分析，主要成分為C、O、Cl、Sn，其中Cl含量高達20%左右，而對未腐蝕的位置進行成分分析，表面成分正常，未發現Cl元素。

 

圖3 #5失效電池U3芯片引腳表面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表3 #5失效電池品U3芯片引腳表面EDS測試結果(Wt%)

 

4 特性曲線分析

 

為了進一步確認失效電池中U3器件本身是否存在問題，對#5失效電池U3芯片上的引腳3和2進行特性曲線分析，同時對比裸器件上引腳3和2的特性曲線，看是否存在差異，檢測結果如下：#5失效電池中U3芯片的引腳3和2之間的特性曲線與正常裸芯片的特性曲線基本一致。由此說明，#5失效電池中U3芯片本身質量不存在問題，導致失效電池漏電失效的原因是U3芯片引腳3和2之間存在電遷移現象。

 

 

5 物料排查

 

由上述測試結果可知，導致失效電池漏電失效的直接原因為U3芯片引腳3和2之間存在電遷移，而導致電遷移發生的直接因素為引腳焊點表面存在異常高含量的Cl元素。結合該電池的工藝生產流程圖，異常Cl元素可能從以下4個方面引入：

（1）電池在老化過程中，由其他地方引入Cl；

（2）器件上Cl殘留；

（3）SMT組裝過程中引入Cl，包括錫膏和外來因素；

（4）PCB板表面Cl殘留。

 

5.1 電池在老化過程中，是否由電池其它地方引入Cl

#5失效電池剝膠后，U3芯片附近PCB板面進行成分分析，如圖6和表3所示，剝離膠后，U3芯片上引腳3附近的PCB板表面亦未發現Cl元素。如果Cl元素是由外界其它地方引入，PCB板表面應存在Cl遷移殘留，綜上，可排除Cl元素由電池其它地方引入的可能。

 

圖6 #失效電池剝膠后U3附近表面SEM圖片

 

表4 #失效電池剝膠后U3附近表面EDS測試結果(Wt%)

 

5.2 器件表面的Cl殘留

為了確認失效電池中U3芯片引腳焊點表面的Cl是否來自芯片本身，對裸芯片和#失效電池上其他器件表面膠進行成分分析，裸芯片表面未發現有Cl殘留；#失效電池上電阻R1焊點焊料也存在錫焊料被腐蝕情況，通過成分分析，發現存在異常元素Cl，且含量高達10%左右。由此說明，失效電池中不只是U2和U3器件上焊點焊料存在被腐蝕現象，其他器件也存在該現象。

通過上述結果可知，失效電池中U2和U3芯片引腳焊點表面的Cl元素應不是來自器件本身。

 

圖7 裸芯片表面SEM圖片

 

表5 裸芯片表面EDS測試結果(Wt%)

 

圖8 #5失效電池上R1表面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表6 #5失效電池上R1表面EDS測試結果(Wt%)

 

5.3 電池在SMT過程中，由錫膏或外來因素引入

通過對OK-1電池上U3芯片焊點表面進行表面形貌觀察和成分分析，如圖9和表7所示。通過表面形貌觀察，引腳焊點焊料未發現有腐蝕情況，通過成分分析，引腳表面及周邊亦未發現有Cl元素。

由上述結果可知，正常電池中器件焊點焊料表面未發現有Cl殘留，結合采用的無鹵錫膏Sn98.5Ag1.0Cu0.5，由上可排除錫膏本身帶有Cl。

 

圖9 OK-1電池U3芯片引腳表面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表7 OK-1電池上U3芯片引腳表面EDS測試結果(Wt%)

 

5.4 PCB板表面Cl殘留

對失效電池進行表面觀察，發現152#失效電池中PCB板上B+旁阻焊膜表面存在異常顆粒點，如圖27所示。通過對該異常顆粒物進行表面形貌觀察及成分分析，如圖28和表14所示，通過成分分析可知，該異常顆粒含有異常高的Cl元素，且含異常的Ni和Cu元素。該異常顆粒的來源需要進一步的確認。

 

圖10 #6失效電池PCB板表面異常顆粒外觀圖片

 

圖11 #6失效電池PCB板表面異常顆粒SEM圖片

 

表8 #6失效電池PCB板表面異常顆粒EDS測試結果(Wt%)

 

對上述的異常顆粒點進行切片分析，發現異常顆粒旁的阻焊膜出現開裂現象，且在阻焊下方為內部金屬走線，在金屬走線邊側發現與異常金屬顆粒相同物質。通過成分分析，發現異常顆粒與走線邊側異常物質成分相同，均發現異常高的Cl元素，且亦含Ni和Cu。其它金屬走線邊側也發現存在異常物質，經成分確認，亦發現異常高含量的Cl元素。

 

經了解，該PCB內部金屬走線為Cu表面鍍Ni鍍Au結構，且該PCB板的制作工藝為先做焊盤表面處理，后涂覆阻焊膜。結合上述測試結果可推測，該阻焊膜表面異常顆粒應來自PCB板內部金屬走線邊側。失效電池中PCB板內部金屬走線邊側的異物應為PCB板制作流程中蝕刻線路的蝕刻液殘留導致。

 

在其他PCB板表面也發現有異物殘留，通過成分確認，該異物發現有較高含量的Cl殘留。

 

結合上述物料排查結果，可確定失效電池中異常Cl元素應來自PCB光板，在其阻焊膜表面和內部金屬走線邊側均發現較高含量的Cl，直接導致后續焊點腐蝕和電遷移的發生。

 

結論

 

導致失效電池漏電失效的直接原因為：失效電池中U3芯片引腳3和2之間存在電遷移類物質，導致電池發生漏電失效。發生電遷移的原因為焊點表面Cl殘留過高，致使焊點發生腐蝕，進一步誘發引腳之間的電遷移。其中異常Cl元素來自PCB光板本身，與PCB板制程工藝不良有關。

 

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