車載電子：電池FPC連接片虛焊失效分析

案例背景

某車載電池充電異常，經(jīng)新陽檢測(cè)中心初步分析是內(nèi)部FPC連接板接觸不良導(dǎo)致。連接板由FPC+鎳片+SMD元件+PI膜構(gòu)成，如下圖：

分析過程

X-Ray檢測(cè)

通過X-RAY檢測(cè)，可以明顯辨別出Ni片與FPC焊盤之間存在虛焊不良。而且未虛焊的點(diǎn)位均存在較大面積的焊接空洞。

失效焊點(diǎn)的剝離表面分析

針對(duì)異常連接點(diǎn)，將鎳片剝離后，對(duì)其表面特征進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)：

Ni片焊接剝離面Sn為自然聚合狀態(tài)，表面光滑，無拉扯或鋸齒狀態(tài)。

FPC pad面偏灰色，表面光滑，有明顯坑狀氣泡空洞痕跡，無拉扯或鋸齒狀態(tài)。

通過SEM分析顯示，pad表面平整，結(jié)晶規(guī)則。整體呈現(xiàn)灰白色，結(jié)晶顆粒約2μm左右。

EDS分析結(jié)果顯示，pad面主要以Sn、Cu金屬成分構(gòu)成。C、Cl主要來自于剝離面的附著物，據(jù)此判斷為助焊劑殘留物。同時(shí)，Sn、Cu元素產(chǎn)生了相互熔合滲透。

剝離面外觀確認(rèn)

Ni片焊接剝離面：Sn呈自然聚合狀態(tài)，表面光滑，無拉扯或鋸齒狀態(tài)。

FPC pad焊接剝離面：斷面偏灰色，且表面光滑，有明顯坑狀氣泡空洞痕跡，無拉扯或鋸齒狀態(tài)。

剝離面SEM分析

Ni片焊接剝離面SEM圖示

FPC pad焊接剝離面SEM圖示

剝離面EDS分析

Ni片焊接剝離面的成分分析

FPC pad面焊接剝離面的成分分析

失效焊點(diǎn)的切片斷面分析

針對(duì)失效焊點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行切片斷面分析。

分析發(fā)現(xiàn)：

斷面金相分析發(fā)現(xiàn)：Sn與FPC pad分離，F(xiàn)PC pad銅面彎曲變形。焊錫呈自然的凝聚弧形狀態(tài)。從其整體狀態(tài)判斷，內(nèi)部受到了熱應(yīng)力作用即熱膨脹。

SEM分析發(fā)現(xiàn)：焊點(diǎn)斷裂面位于Sn與pad側(cè)的IMC層，斷點(diǎn)在IMC層整體貫穿。IMC層整體連續(xù)、均勻，厚度2.0μm左右，狀態(tài)良好。部分Sn面呈自然凝結(jié)弧狀。

EDS分析發(fā)現(xiàn)：pad上的IMC層以Cu、Sn構(gòu)成，重量比約為40:60，為Cu6Sn5結(jié)構(gòu)，是良性IMC。斷裂面的焊錫側(cè)為100%Sn成分，進(jìn)一步說明斷裂面為Sn與pad側(cè)的IMC層。

Ni片側(cè)、pad側(cè)的Sn結(jié)晶狀態(tài)無明顯差異，說明焊錫過程是同步的。

在斷面上檢出較明顯的助焊劑殘留。

切片斷面分析

切片斷面金相分析

切片斷面SEM分析

切片斷面EDS分析

良好焊點(diǎn)的切片斷面分析

有電阻焊接的焊點(diǎn)，焊接狀態(tài)良好，IMC層連續(xù)、均勻，厚度1.46μm。Ni片與pad之間無段差。

切片斷面分析

切片斷面金相分析

切片斷面SEM分析

FPC pad與Ni片組裝結(jié)構(gòu)部分FPC pad相對(duì)平面有50μm-60μm的段差，即下沉，部分無段差。

工藝流程：Ni片SMT回流焊接→PI膜→SMD元件焊接，即Ni片在PI膜貼附后還要回流一次。

組裝結(jié)構(gòu)

部分FPC pad相對(duì)平面有50μm-60μm的段差，本次分析的樣件對(duì)比如下：

PI膜熱壓后，Ni片焊接部分被完全封閉，即Ni片與pad焊接部分形成完全密閉空間。

分析結(jié)果

不良解析

綜合以上檢測(cè)信息，分析如下：

從虛焊點(diǎn)的平面與斷面的分析結(jié)果可以判斷——Ni片與FPC pad第一次回流焊接形成了良好的IMC層，焊接成功。焊接失效現(xiàn)象發(fā)生在后續(xù)工藝之中。

虛焊點(diǎn)的典型特征

FPC pad斷面平滑，Ni片上附著的Sn表面及切面均呈自然冷卻形成的弧狀形貌。

虛焊面在Sn與IMC層之間。

失效焊點(diǎn)空間均呈熱膨脹狀態(tài)。

FPC結(jié)構(gòu)及工藝的缺陷

FPC失效焊點(diǎn)的pad下沉約60μm，Ni片與FPC上的PI膜之間形成了應(yīng)力集中點(diǎn)，如以下對(duì)比圖所示——在熱膨脹作用時(shí)，第一種狀態(tài)容易受到熱應(yīng)力。

焊接點(diǎn)存在較大面積的空洞（最大75%左右），且有助焊劑殘留。

PI膜工藝使Ni片和FPC的焊接點(diǎn)形成了完全密閉的空間。在第二次回流焊時(shí)，會(huì)造成焊接揮發(fā)的氣體無法排除，從而在內(nèi)部形成熱脹空間。

由于該產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，焊錫在第二次SMT時(shí)會(huì)再次經(jīng)過熔化到冷卻的過程。Sn與Sn之間的親和性遠(yuǎn)高于Sn與IMC層之間的親和性。

原因總結(jié)

綜合以上分析，判斷造成焊接失效的原因如下：

由于該FPC組裝工藝的限制，在密閉空間內(nèi)的焊點(diǎn)二次熔化時(shí)，焊點(diǎn)內(nèi)部存在的空洞及助焊劑殘留揮發(fā)物再度受熱膨脹。

同時(shí)由于FPC本身的造成的段差，即與Ni片接觸的PI膜，熱膨脹對(duì)Ni片邊緣產(chǎn)生應(yīng)力，綜合引起FPC銅面受力變形下陷。

并且由于焊錫的親和作用，Sn與IMC層產(chǎn)生了自然分離，故形成虛焊。

改善方案

FPC 焊盤設(shè)計(jì)

建議措施

FPC 焊盤改善為無段差結(jié)構(gòu)，Ni片與焊盤直接接觸。

目的

保障錫膏印刷質(zhì)量；

減少焊接時(shí)的熱應(yīng)力。

FPC生產(chǎn)前烘烤

建議措施

每批次FPC板在上線前烘烤。

目的

除去內(nèi)部濕氣，避免焊接時(shí)的內(nèi)部濕氣釋放，形成熱應(yīng)力。

鋼網(wǎng)

建議措施

建議鋼網(wǎng)厚度由0.08mm變更為0.11mm；

現(xiàn)狀鋼網(wǎng)開口的排期通道設(shè)計(jì)不足：
①排氣通道由0.2mm變更為0.25mm；
②開口圖形建議如下：

目的

①增加錫量；

②增加焊接時(shí)的排氣性，減少焊接空洞；
③減小第一次回流焊接時(shí)的虛焊隱患；

回流溫度

建議措施

對(duì)第一次回流焊接時(shí)的溫度做整體評(píng)估。

目的

減少焊接空洞。

Ni片焊接后清潔

建議措施

Ni片焊接后，對(duì)孔內(nèi)及邊緣部分殘留的助焊劑進(jìn)行清潔。

目的

減少助焊劑殘留，從而減少二次焊接時(shí)產(chǎn)生揮發(fā)性氣體；

PI膜的密封性設(shè)計(jì)改善

建議措施

建議Ni片孔位置不封PI膜，在二次回流后采用密封電阻的方式，點(diǎn)膠密封。

目的

避免形成密封空間，導(dǎo)致內(nèi)部熱應(yīng)力無法釋放。

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審核編輯 黃昊宇