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应用方案

 

一、背景描述

 

客户反映,其所生产的蓝牙耳机AB两种样品上电容器存在短路失效问题,部份电容器出现绝缘电阻下降现象,要求分析原因。

样品外观如上图所示,图中箭头所指位置的电容器失效,且失效电容位置均处于PCBA板最边上。

二、原因分析

电容器短路分析:

1.电容器两焊点之间短路

两焊点之间残留过量的助焊剂

两焊点之间存在较多锡珠

1.2  3D显微镜观察

   SEM测试

   清洗实验+电阻量测

2.电容器开裂造成短路

观察电容表面是否存在撞击现象,是否存在裂纹;

切片观察电容内部的开裂状况;

焊点结构分析,推断电容焊接时是否存在热量超标问题。

2.1  3D显微镜观察

   金相显微镜观察

   切片测试

   SEM+EDS测试

  三、失效现象观察

3.1 3D显微镜观察

 

 

对客户所送8pcs失效样品进行3D显微镜观察,结果如上图所示。样品表面均覆盖了“三防胶”。

其中1#7 #8 #样品外观存在明显裂纹,3 #5 #样品隐约可见裂纹,见图中箭头所示位置。

 

3.2 3D显微镜观察——焊接端表面形貌

 

在样品上选取正常电容器,并与失效电容器樣品对比外观形貌。发现1#3#4#6#7#号失效样品焊接端表面粗糙、凹凸不平,且3#4#样品电容上表面存在锡珠残留。建议对电容的来料状况、碰撞情况以及爬锡能力进行调查分析。

 

3.3 3D显微镜形貌观察——锡珠残留

 

发现3#4#样品电容器附近存在较多锡珠及助焊剂残留,且4#样品残留较多。锡珠残留过多将会增加PCBA板短路风险。通过清洗去除4#样品表面的三防胶,去除锡珠及助焊剂。然后万用表测试电容阻值为16.20Ω,短路现象依然存在,故推断锡珠及助焊剂残留不是造成电容器短路的主要原因。

 

四、实验验证——切片分析

4.1 4#样品切片分析

 


 

对外观无明显裂纹的4#样品切片观察,如上图所示。4#样品上部两端AB区域有破裂现象,裂纹自电容器表层向内部延伸。其中B区域存在开裂严重,并有内电极开裂状况。推测电容B端可能存在碰撞情况。

4.2 8#样品切片分析

 

 

对外观有明显裂纹的8#样品切片观察,如上图所示。经EDS分析得出电容器介质材料为钛酸钡类陶瓷材料,内电极金属材料为镍。

从图中可见,电容上部区域出现裂纹,内电极镍层出现短路烧熔现象。 

 

五、实验验证——切片+SEM分析

5.1 4#样品切片+SEM分析

 

4#样品进行切片+SEM观察,发现PCB一侧焊点IMC层生长过厚,平均厚度超过5 μm ,最厚有8.19 μm。通常焊点IMC厚度建议1~5 μm ,过厚的IMC会导致焊点强度降低。电容器一侧IMC层平均厚度1.6 μm,属于正常范围。

PCB和电容同时焊接,接受同样的热量,但两侧焊点的IMC厚度存在明显差异,推测为电容器焊锡性能较差导致。焊点IMC过厚,说明焊接时热量过高。过高的热量会提升电容器热应力开裂的风险。



5.2 4#样品PCB——侧焊电SEM+EDS分析

 

PCB一侧焊点进行IMC结构分析:

1. 焊点富P层偏厚,并出现连续Ni-Sn-P层。 一般在焊接热量过多或者Ni层含P超标情况下,会出现连续Ni-Sn-P层,由于样品Ni层含P量属于正常范围,故推测回流焊温度偏高或者时间偏长;

2. 连续的Ni-Sn-P层会降低焊点强度,应调整工艺参数,避免产生。

 

 六、结果分析及改善建议

结果分析:

1.客户送来8 pcs失效样品,失效位置均处于PCBA最边上。主板边缘位置可能会存在较高的机械应力风险。实验发现裂纹多存在于电容两端上部区域,其中4#样品有较为严重开裂,怀疑受过外力碰撞。

2. 电容焊点IMC厚度存在异常,怀疑电容的爬锡能力较差。同时在PCB一侧焊点的IMC层生长过厚,平均厚度超过5μm,并有连续的Ni-Sn-P生成;推测样品回流焊时受到热量过多。过多的热量会提升电容器热应力开裂的风险。同时较厚的IMC以及连续的Ni-Sn-P层会降低焊点强度,应调整工艺予以避免。

3. 3#4#样品存在明显锡珠及助焊剂残留。去除4#样品三防胶,清洗掉锡珠后发现样品依然存在短路现象,推断锡珠及助焊剂残留不是导致电容器短路的主要原因。但应调整工艺,避免产生较多锡珠残留。

 改善建议:

逐步排除电容在包装运输、元件贴装以及分板切割时可能遭受的机械应力冲击问题。如有必要可进行应力应变测试。

确认产线回流焊是否存在温度偏高或者时间偏长问题,降低热应力冲击的风险。应调整SMT工艺,改善焊点IMC结构,并同时解决锡珠残留问题,保证产品可靠性。

建议测试原物料电容器沾锡性能,观察是否存在镀层老化问题。

 

附:IMC形成

焊点的形成过程:

熔融的焊料润湿金属表面

基体金属扩散进入熔融焊料

形成IMC(金属间化合物)

凝固形成焊点

焊接时,焊料中的Sn与焊盘中的CuNi发生化学反应及物理扩散生成金属间化合物(IMC)。因此,连续厚度(1~5μm)适中的IMC层是焊接良好的一项重要指标。

化学镀Ni层中含有一定的P元素,通常P含量为6% ~10%,一般认为P不参与反应,当Ni层中的Ni不断消耗,导致界面上富P层的析出。

下图为正常焊接面的IMC情况()


焊接界面生成的两种IMC:
(Cu,Ni)6Sn5
(Ni,Cu)3Sn4