關(guān)于家電產(chǎn)品LED發(fā)光二極管引腳不上錫的失效機理研究與分析
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,對控制器主板的性能提出了更高的要求,其中對二級管的功能要求也越來越嚴格。
近年來,消費者對家電產(chǎn)品功能失效的投訴增多,二極管不上錫導致的產(chǎn)品質(zhì)量異常問題特別嚴峻。本文將從專業(yè)角度分析二極管不上錫原因及特點,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
本團隊組織對不上錫二極管失效樣品進行收集,對樣本進行分析,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,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 對上錫不良的引腳表面進行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,但部分退濕潤的區(qū)域只檢測到C、O、Si、Sn,并未檢測到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
對未浸錫二極管鍍層表面進行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
對二極管未浸錫引腳進行切片,蝕刻Sn 和Cu 后,對截面進行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。然后將截面進行離子束拋光處理,再進行觀察發(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
對上錫不良位置進行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]。鍍錫時焊料中的錫會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)
對不良品未脫落位置進行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。鍍錫時焊料中的錫會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,在高溫浸錫過程中,隨著IMC 層空洞的形成、聚合、長大,使鍍層界面結(jié)合強度弱化并引起界面的破壞,導致燈腳浸錫后錫層與IMC 層脫落或上錫不飽滿。
3 結(jié)束語
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,在高溫浸錫過程中,隨著IMC 層空洞的形成、聚合,使鍍層界面結(jié)合強度弱化并引起界面的破壞,導致燈腳浸錫層與IMC 層脫落或上錫不飽滿。同時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)的使用過程中存在上錫不良的隱患。
通過更改鍍層結(jié)構(gòu),減緩界面組合元素的不平衡擴散,生產(chǎn)過程中回流焊設(shè)備前進行預處理,在回流前以一定溫度進行退火預處理可以使Cu 層成分均勻[6],消除殘余應力,同時晶粒尺寸的長大能夠排除部分雜質(zhì),在動力學和熱力學方面減少空洞的形成。
參考文獻:
[1] 許宏飛,史利軍,徐振鵬,等.SEM/EDS在案件微量物證鑒定方面的應用[J].兵器材料科學與工程,2000(2):47-51.
[2] 辛娟娟,韋旎妮,劉抒,等.FIB與PEM聯(lián)用在半導體器件失效分析中的應用[J].半導體技術(shù),2010(7):39-42.
[3] 胡小武,余嘯,李玉龍,等.SnBiEr/Cu界面反應及時效過程中IMC的研究[J].電子元件與材料,2014(4):55-59.
[4] 崔?;? Sn3.0Ag0.5Cu焊材與基體間IMC層微結(jié)構(gòu)演化及力學行為分析[J].鑄造技術(shù),2015(1):22-26.
[5] 劉志慧,柴廣躍,閆星濤,等.焊接層空洞率對LED背光源組件熱阻的影響[J].照明工程學報,2016(6):82-88.
[6] 范鵬,趙麥群,孫杰,等.回流溫度對Sn-58Bi焊點顯微組織及剪切強度的影響[J].熱加工工藝,2019(17):63-67.
(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期)
評論