引言

 

電子產品整機故障中，有將近一半是由于焊接不良引起的，最常見的焊接不良就是虛焊。虛焊是指由于焊件表面沒有清除干凈或焊劑用得太少以及焊接時間過短，導致焊點處沒有充分上錫,造成接觸不良，時通時斷。本文以電阻虛焊的原因分析為例，介紹其分析方法，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

委托方反饋，LED模組組裝后功能異常，初步判斷是電阻虛焊所致。

委托方提供1 pc失效LED模組。將兩個疑似不良電阻命名為（NG1、NG2），相鄰兩個正常電阻命名（OK1、OK2），右側正常電阻命名為OK。

實驗室針對上述樣品進行測試，分析電阻虛焊的產生原因。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

利用體視顯微鏡對PCBA電阻焊點進行光學檢查，結果如圖1所示：

NG1電阻一側焊點明顯虛焊，NG2電阻一側端電極存在明顯爬錫異常，其他電阻未見明顯異常。

 

圖1. PCBA電阻焊點光學檢查典型照片

 

2. X-Ray分析

利用X-Ray對不良電阻樣品NG1、NG2及OK樣品進行透視檢查，結果如圖2所示：

NG1電阻一側焊點存在明顯虛焊異常，完全未潤濕；NG2電阻一側焊點存在爬錫異常，但不影響器件功能；OK電阻上錫良好，無明顯異常。

 

圖2. 不良電阻NG1、NG2及OK電阻X射線透視圖

 

3. 表面分析

利用場發射掃描電子顯微鏡，對不良電阻NG1及OK電阻超聲清洗去除助焊劑后和對不良電阻NG2機械剝離（清洗前后）進行觀察分析，結果如下：

如圖3所示，NG1不良電阻一側端電極表面完全不潤濕，底部焊接面呈典型虛焊特征。

 

圖3. NG1電阻不良焊點表面形貌及EDS成分分析譜圖

 

如圖4所示，OK電阻上錫良好。

 

圖4. OK電阻焊點表面形貌及EDS成分分析譜圖

 

如圖5所示， NG2不良電阻機械剝離后，端電極表面有較多異物殘留，表面成分元素主要為C/O/Na/Pb/Sn元素，Na為污染元素。

 

圖5. NG2電阻（未清洗）不良焊點表面形貌及EDS成分分析譜圖

 

如圖6所示，對NG2機械剝離后電阻及焊盤超聲清洗 (丙酮清洗30min)后進行表面分析顯示：

① PCB側清洗效果良好，清洗后焊點表面潔凈，焊點表面成分主要為C/O/Sn/Pb等元素成分，無異常污染；

② 電阻端電極上錫不良區域表面清洗效果不佳，仍然有大量異物殘留，成分主要也是C/O/Sn/Pb等元素成分，異物C含量很高。形貌顯示不上錫區域表面形貌依舊為端電極鍍錫層原始形貌，黑色異物嵌于鍍層之中，說明清洗不掉的黑色異物來料時便存在。

 

圖6. NG2不良電阻（清洗后）焊點表面形貌及EDS成分分析譜圖

 

4. FTIR分析

對（清洗前）不良電阻NG2和OK電阻焊點表面異物進行FTIR成分分析對比，結果如下：

NG2焊盤上異物與正常焊點上助焊劑成分對比無明顯區別，詳細見圖7所示。

NG2焊盤上異物成分是三防漆與助焊劑的混合物，助焊劑在1641、1557處存在酰胺鍵吸收峰；電阻上異物成分是三防漆與助焊劑的混合物，助焊劑在1641、1557處存在酰胺鍵吸收峰。

 

圖7. 不良電阻NG2焊點表面異物、OK電阻焊點表面異物FTIR譜圖

 

5. 剖面分析

為了觀察焊點內部狀況，對電阻NG1、NG2、OK1、OK2和OK電阻進行剖面結構分析，結果如下：

NG1樣品：如圖8所示：①電阻一側虛焊，端電極表面呈現完全不潤濕特征，端電極鍍錫層與焊料明顯分離，未發生溶融，無立碑特征；②不良電阻兩端焊點下錫量存在較大偏差，不良側焊點下錫量與正常側下錫量的比值為76.8%。

 

圖8. NG1不良焊點剖面SEM+EDS分析結果

 

NG2樣品：如圖9所示：電阻端電極底部與焊料接觸面形成正常焊接（冶金結合），但端電極側面中上部潤濕不良，焊料未爬至器件頂端。這與清洗后表面觀察的現象完全一致，表面黑色物質影響了鍍錫層的潤濕性能。

 

圖9. NG2不良焊點剖面SEM+EDS分析結果

 

OK樣品：如圖10所示：①電阻電極表面潤濕良好；②PCB側焊盤焊接良好，IMC生長正常；③OK電阻兩側焊盤下錫量較為均勻，電阻兩端焊盤下錫量比值為98%。

 

圖10. OK樣品正常焊點剖面SEM+EDS分析結果

 

OK1&OK2樣品：如圖11所示：OK1電阻兩側焊盤下錫量較為均勻，電阻兩端焊盤下錫量比值為91.3%；OK2電阻兩側焊盤下錫量較為均勻，電阻兩端焊盤下錫量比值為91.1%。

 

圖11. OK1、OK2電阻焊點剖面金相觀察圖片

 

6. 原物料分析

為了確認同批次電阻原物料端子是否存在異常，從委托方所送的50pcs同批次電阻原物料中選取2pcs（分別編號：1、2）外觀較為惡劣的樣品進行觀察分析，結果如下：

如圖12所示，光學觀察顯示：電阻端子底部整體發黑異常，尤其邊角位置發黑更為嚴重（紅色箭頭所指）；電阻底部非焊端區域明顯觀察到異物污染現象。

 

圖12. 電阻原物料端子底部外觀檢查照片

 

如圖13所示，電阻1端子底部形貌觀察及成分測試結果顯示：端子底部存在點狀異物污染現象，成分測試顯示，異物含有較高的C、O元素及少量的Si元素。

 

圖13. 電阻原物料（1）端子底部形貌觀察照片及成分測試結果

 

如圖14所示，電阻2端子底部形貌觀察及成分測試結果顯示：端子底部同樣存在點狀異物污染現象，成分測試顯示，異物含有較高的C、O、Si元素及微量的Mg、Al、Cu、Cr元素；邊角位置形貌異常，成分測試含有C、O、Si元素，O含量偏高。

 

圖14. 電阻原物料（2）端子底部形貌觀察照片及成分測試結果

 

以上結果可知，電阻原物料端子存在異物污染現象，異物主要含有C、O、Si元素。

 

7. 上錫性驗證

為了確認異物是否對電阻上錫性存在影響，參考標準IPC EIA/JEDEC J-STD-002E-2017元器件引線、端子、焊片、接線柱和導線的可焊性測試對電阻端子上錫性進行驗證，結果如下：

測試條件：焊料球：Sn63/Pb37； 助焊劑：#1； 浸入角度：45°；浸入速度：25mm/s；浸入時間：5s；浸入深度：＞0.10mm；錫爐溫變：245℃；

測試方法：測試B - 錫/鉛焊料 – 焊料槽/浸焊觀察測試（無引線元器件）；

由圖15所示，電子原物料端子浸焊試驗后，端子底部局部位置明顯觀察退潤濕（紅色箭頭所指）異常，尤其邊角位置更為顯著，潤濕不良分布與異物分布一致。潤濕不良面積小于95%，不滿足標準要求。

 

圖15. 電阻原物料端子浸焊測試后外觀照片

 

三、總結分析

 

本案失效背景為：LED模組組裝后顯示功能異常，懷疑電阻存在虛焊異常。

 

外觀檢查顯示：NG1電阻一側明顯虛焊異常，NG2電阻端電極一側面爬錫異常，其他電阻焊點未見異常。

 

X射線透視檢查：結果與外觀檢查結果完全一致。

 

表面分析顯示：清洗后電阻端電極上錫不良區域表面仍然有大量黑色異物殘留，成分主要也是C/O/Sn/Pb等元素成分，異物C含量很高；發現不上錫區域表面錫面形貌依舊為端電極鍍錫層原始形貌，黑色異物嵌于鍍層之中，說明清洗不掉的黑色異物來料時便存在。

 

剖面分析顯示：①NG1不良電阻一側虛焊，端電極表面呈現完全不潤濕特征，端電極鍍錫層與焊料明顯分離，未發生溶融，但無立碑特征；

②不良電阻兩端焊盤下錫量存在較大偏差，不良側焊點下錫量與正常側下錫量的比值為76.8%。

③NG2不良電阻端電極底部與焊料接觸面形成正常焊接（冶金結合），但端電極側面中上部潤濕不良，焊料未爬至器件頂端，這應該與清洗后的表面觀察現象完全一致，表面黑色物質影響了鍍錫層的潤濕性能。

 

電阻兩端下錫量對比顯示：焊接正常電阻兩側下錫量比值為91.1%~98%，錫量較為均勻。NG1不良電阻兩側下錫量比值僅為76.8%，預示著鋼網印刷工藝可能不穩定。

 

電阻原物料分析顯示：電阻原物料端子存在異物污染現象，尤其邊角區域更為嚴重，成分測試顯示，異物主要含有C、O、Si元素。電阻原物料上錫性驗證結果顯示：浸焊試驗后，電阻端子底部局部位置明顯觀察退潤濕異常，尤其邊角位置更為顯著，潤濕不良分布與異物分布一致。潤濕不良面積小于95%，不滿足標準要求。

 

從以上分析結果可以看到，器件端子潤濕不良與表面污染存在極強的相關性，即器件端子表面污染是導致上錫不良的主因。同時，注意到上錫不良器件兩端錫膏量不同，這會改變工藝適應性，在一定程度上會放大問題的嚴重性，屬于次要因素。

 

四、結論與建議

 

電阻虛焊、爬錫不良的主要因素是電阻端電極表面存在異常污染。上錫不良器件兩端的錫量不同，在一定程度上改變了器件工藝適應性，進一步凸顯了該問題。建議在失效率較低的情況下，優先拓寬工藝窗口，提升兼容性。

 

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