關(guān)于家電產(chǎn)品LED發(fā)光二極管引腳不上錫的失效機(jī)理研究與分析

0   引言

LED 發(fā)光二極管是家用電器中常用的電子元器件，二極管引腳焊接不上錫將嚴(yán)重影響電器產(chǎn)品性能，而電器產(chǎn)品不工作等售后質(zhì)量異常也是影響企業(yè)品牌重要因素，隨著智能家電的普及，對(duì)控制器主板的性能提出了更高的要求，其中對(duì)二級(jí)管的功能要求也越來(lái)越嚴(yán)格。

近年來(lái)，消費(fèi)者對(duì)家電產(chǎn)品功能失效的投訴增多，二極管不上錫導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量異常問(wèn)題特別嚴(yán)峻。本文將從專業(yè)角度分析二極管不上錫原因及特點(diǎn)，為解決二極管引腳不上錫異常提供整改方向。

1   二極管不上錫原因

本團(tuán)隊(duì)組織對(duì)不上錫二極管失效樣品進(jìn)行收集，對(duì)樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常樣品以及失效批次產(chǎn)品浸錫后的引腳上均存在上錫不良的現(xiàn)象（見圖1）；主要表現(xiàn)為局部退濕潤(rùn)，引腳表面有許多空洞（見圖2）；上錫不飽滿異常（見圖3）。

圖1 樣件圖片

圖2 上錫不良引腳

圖3 上錫不良引腳

2   SEM&EDS（掃描電子顯微鏡&能譜儀）分析

2.1 對(duì)上錫不良的引腳表面進(jìn)行SEM&EDS^[1]分析，發(fā)現(xiàn)：

1）上錫不良的區(qū)域有顆粒狀的形狀，EDS 主要檢查到Sn、Ag、Cu 元素，其中Ag 和Cu 的含量較少。大部分是Sn。而焊料比較厚的區(qū)域主要檢測(cè)到Sn 和少量的Si 元素。見圖4。

圖4 上錫不良區(qū)域代表性SEM&EDS圖片

2）浸錫不良的樣品上，上錫不良區(qū)域的空洞更大，更明顯，但部分退濕潤(rùn)的區(qū)域只檢測(cè)到C、O、Si、Sn，并未檢測(cè)到Ag 和Cu 元素，形貌也有差異（見圖5）。

圖5 上錫不良區(qū)域代表性SEM&EDS圖片

2.2 二極管未浸錫引腳鍍層表面

對(duì)未浸錫二極管鍍層表面進(jìn)行SEM 觀察，發(fā)現(xiàn)鍍錫層表面有許多疏松的情況，疏松區(qū)域和相對(duì)致密區(qū)域相比，C、O 含量高一些，表明疏松區(qū)域含有少量的有機(jī)物，代表性圖片見圖6。

圖6 未浸錫樣品代表性SEM&EDS圖片

2.3 Led二極管未浸錫引腳鍍層截面

對(duì)二極管未浸錫引腳進(jìn)行切片，蝕刻Sn 和Cu 后，對(duì)截面進(jìn)行SEM 觀察，發(fā)現(xiàn)Sn 鍍層和Ni 鍍層之間形成了一層連續(xù)的IMC，Cu 層未見缺失的現(xiàn)象，Sn 鍍層的厚度約10 μm。然后將截面進(jìn)行離子束拋光處理，再進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)Sn 鍍層表面、內(nèi)部均有較多大小不一的空洞，部分空洞中可見明顯的有機(jī)物殘留。

圖7 鍍層截面代表性SEM&EDS圖片（1）

圖8 鍍層截面代表性SEM&EDS圖片（2）

2.4 引腳浸錫后截面分析

對(duì)上錫不良位置進(jìn)行FIB 切割^[2]，結(jié)果顯示燈腳支架為鐵基材，基材上依次為鎳、銅，在鍍銅層表面支架鍍錫^[3]。鍍錫時(shí)焊料中的錫會(huì)與鍍銅層中的銅之間形成銅錫合金化合物。

截面觀察發(fā)現(xiàn)在IMC 層（銅錫合金層）^[4]可觀察到空洞，玻璃位置位于IMC 層與錫層，同時(shí)發(fā)現(xiàn)鍍銅層與IMC 層（銅錫合金層）界面形成了空洞，即柯肯達(dá)爾空洞。

圖9 上錫不良位置FIB切割截面圖（1）

圖10 上錫不良位置FIB切割截面圖（2）

對(duì)不良品未脫落位置進(jìn)行FIB 切割，結(jié)果顯示引腳支架為鐵基材，基材上依次為鎳、銅，在鍍銅層表面支架鍍錫。鍍錫時(shí)焊料中的錫會(huì)與鍍銅層中的銅之間形成銅錫合金化合物。

截面觀察發(fā)現(xiàn)在鍍銅層與IMC 層（銅錫合金層），以及錫層與IMC 層界形成了空洞^[3]。

綜上，故推斷焊錫脫落的原因是IMC 層存在空洞異常，在高溫浸錫過(guò)程中，隨著IMC 層空洞的形成、聚合、長(zhǎng)大，使鍍層界面結(jié)合強(qiáng)度弱化并引起界面的破壞，導(dǎo)致燈腳浸錫后錫層與IMC 層脫落或上錫不飽滿。

3   結(jié)束語(yǔ)

Led 發(fā)光二極管引腳上錫不良的原因是IMC 層（銅錫合金層）存在空洞異常，在高溫浸錫過(guò)程中，隨著IMC 層空洞的形成、聚合，使鍍層界面結(jié)合強(qiáng)度弱化并引起界面的破壞，導(dǎo)致燈腳浸錫層與IMC 層脫落或上錫不飽滿。同時(shí)未上錫的不良品在鍍銅層與IMC 層界面形成了大量的空洞，即柯肯達(dá)爾空洞?？斩吹拇嬖诒砻魑瓷襄a不良引腳鍍層在后續(xù)的使用過(guò)程中存在上錫不良的隱患。

通過(guò)更改鍍層結(jié)構(gòu)，減緩界面組合元素的不平衡擴(kuò)散，生產(chǎn)過(guò)程中回流焊設(shè)備前進(jìn)行預(yù)處理，在回流前以一定溫度進(jìn)行退火預(yù)處理可以使Cu 層成分均勻^[6]，消除殘余應(yīng)力，同時(shí)晶粒尺寸的長(zhǎng)大能夠排除部分雜質(zhì)，在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面減少空洞的形成。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）