1、SMT电子组件及焊点的失效判定与切片金相分析杨根林东莞东聚(Primax)电子电讯制品有限公司SMT厂摘要：在当前的SMT日常生产与品质管理中，如何从电子组件(PcBA)及焊点扑朔迷离的失效问题中，快速而准确地找到缺陷位置并做出正确判定，是品质与工程技术人员的重要工作和技能。而SMT工艺和电子封装技术的进步，元器件的引脚或焊端的微小型化，以及某些隐藏于封装体下方的焊点，由于不便于直接目视检查等问题，无疑增加了生产品质和失效分析的困难度。比如细间距的BGACSP等类似器件的失效分析与不良判定，需要更高阶的分析仪器和分析方法。电子组件及焊点的失效分析，是获取失效机理与原因从而进行客诉对策和改善的基
2、本手段，只有熟练掌握并运用这些技术比如金相微切片(Cross Microsection)分析等，才能及时获得产品的改进依据。要获得焊点失效的准确原因或机理，必须遵守分析的相关基本原则与流程，否则可能会漏掉宝贵的失效信息，造成分析不能继续或可能得到错误的结论。一般的简略步骤是，首先必须基于失效现象，通过信息收集、功能测试、电性能测试等手段，以及X-ray透视检查或外观显微等各种检测实验措施，然后对其进行综合分析以求确定失效部位与失效模式，最终获得准确的失效定位或故障定位。经验表明，对于简单的PCBA、焊点失效的原因通常比较容易确定，不过对于BGACSP封装等细间距精密器件，仅凭外观和X透视检查分
3、析是不够的，必须通过对焊点结构进行解剖及微观的透彻分析，才有可能找到产生问题的根本原因(Root Cause)。电子组件(PrintedCircuit Board Assembly)产生质量问题，通常主要是因产品设计、元器件材料和SMT生产工艺等问题造成，而掌握组件及焊点的失效分析技术是品质管理中的重要一环。SMT代工厂对于不良电子组件，不仅需要找到造成产品失效的准确零件位置，还需要查证其造成失效的根本原因，以便最终有效地进行工艺与制程的改善。为此，需要对失效组件及焊点进行更深入的分析，这就需要采用各种先进的分析工艺和方法，而在众多的分析工艺技术以及破坏性实验分析中，切片及金相分析技术以其设备
4、价格低廉、操作简便、判定直观可量化而被广泛应用，所以在SMT代工厂失效分析实验室(FA Lab)是它必不可少的重要设备之一。样品登记标示并编号接收并勘测失效PCBA查明失效器件及具体号f脚爆点样晶前期魅理(涛试、捡涮等)切样冷埋研L一上金钼显微镜分L一封存样品垮，抛光，微蚀ll l析测量 Il图片存档确定辍本原因并出分析报告图表1 PCBA及焊点的失效与切片金相分析的基本工艺流程在进行微切片前，务必对PCBA进行全面细致的分析，并确定失效器件的引脚或焊点，这不仅基于切片对PCBA的破坏性无法恢复原状，也是为了切片时能在PCBA或大型零件较为恰当的位置进行切割制样。试样切割时的下刀位置，离失效的
5、元器件或引脚须不小于25mm，以免切割时损伤要分析的器件或焊点；切割试样前PCBA需固定牢靠，避免其切割时的松动移位；切割的速度须选择适当，同时注意加冷却液避免切割位置过热。切片金相分析就是通过不良取样、镶嵌固定、定点切片、研磨抛光、切面微蚀、显微观察等一系列手段获得焊点横截面的金相结构的过程，参考图表1。切片金相分析用途广泛，通常主要用于焊点品质缺陷(锡裂、空洞、PCB分层和焊点形状异常)分析，以及金属互化物层(IMC)、元器件键合接点及线路、PCB焊盘表面镀层、PCBA及内层电路的综合性检查分析等，它是SMT代工厂中常见而实用的失效分析技术，也是品质工程技术人员查明失效原因的杀手锏。一般地
6、，对于CSPBGA等封装底部目视育见焊端及焊点，须先通过ICT、FCT、ATE和X-Ray等检查分析，然后再进行微切片金相分析。而X透视检测作为非破坏性分析手段，对于焊点的空洞(old)、短路Short)锡球大小不均Solder Point Size Inequality)和球窝缺陷(Head-In-PiIlow)等焊接可靠性问题分析非常有效。关键词：电子组件(PCBA)，焊点(Solder Point)，金属互化物层(I托)，实验分析室(FA Lab 透视检查(X-Ray)，微切片分析(Cross Micro-section)，失效分析A)，根本原因(Root Cause)，球窝缺陷焊点(H
7、ead-ln-Pillow)，焊接可靠性(SolderReliability)1焊点失效的原因、机理与定位分析当前的PCBA及焊点的失效问题纷繁复杂，为搞好SMT日常生产品质缺陷分析和客诉处理，必须先搞清楚焊点的形成过程与机理，并将焊点的失效模式或故障模式与影响因339素联系起来。在做失效分析时，必须遵守基本的原则及流程，否则可能会漏掉宝贵的失效信息，造成分析不能继续或可能得到错误的结论。与此同时，需要把设计、材料、制造以及使用等各个环节联系起来，从而确定失效部位与失效模式，并获得失效及故障的准确定位，以便确定切片适当的切割下刀位置。一般地，通过外观显微检查、X-Ray、ICT或FCT等检测措
8、施，可以找到造成PCBA上具体的失效元器件位置、引脚及焊点；通过切片(Cross Section)微形结构试验分析，进而找到准确的诱导失效根本原因。11焊点的形成机理与影响因素要做好失效分析，必须首先搞清楚焊点的形成过程与机理，同时还必须将焊点的失效模式或故障模式接合起来。焊点的形成包括焊料的润湿过程、焊料与被焊面之间的选择性扩散以及金属间化合物的合金化过程。其中最为关键的就是焊料对被焊面的润湿过程，润湿的好坏决定了焊点的根本质量。决定焊接润湿效果的主要因素是，PCB焊盘的表面涂镀层品质及可焊性、元器件引脚的镀层可焊性、焊料的成分与活性、焊料熔融的温度等等。下面，就焊接温度对焊点的影响说明一二
9、。SMT回流焊接温度曲线的正确设置是理想焊点形成的决定因素之一。焊接温度与时间的不同，使得界面形成的金属间化合物(IMC)的微型结构产生差异：比如BGACSP器件的峰值温度和液化线以上时间规定为(245+一3)和(6070s)较合适，如果超过规定太多将可能造成焊料过度氧化，并使得IMC生长增厚并生成不良化合物，温度偏低且时间不足则使焊料熔融不充分，造成IMC太薄甚或合金无法形成。须知焊点的接合界面的IMC层，太厚或太薄对焊点可靠性都是非常有害的(正常铜锡IMC厚度0305um)，微型结构异常也将造成焊点机械性能下降。比如回流不充分，将导致焊料与焊盘之间的金属间化物太薄且不连续，引起焊点强度不够
10、，稍受应力即开裂。因此，回流焊接的工艺必须注意优化，以避免生成不良的IMC层及微型结构。B(诅(：sI)器件中的典犁失效模式“A Packagl PId Li肘Cnter6 B P妇酗艚M出lC Inl妇e麟I托c e P|【lM捌erl嗽rf融rn渤弹。D BmkSold汀Fradure5PcB l!11a轴W玎bem娌Fram托。f KB Solder弹$1Me糯毹辩f螂瞅。!G PeB Pad“甜C嘲盯图2BGACSP器件中的典型失效模式!：颤虽撼囊圣遥基运藁囊为囊运曼醛蓬甄垂箕至堇甄j； Failure Clarification一一t一_一一一一土一， 一一土一一1i一!曼喜!奠f曼
11、拿!旦e凹熨!蔓2i i一一曼型堂!-J型啤曼一一j?一一一、 一一?i一j “-Z-Z二ZZ二二二二￥EZ-Z-Z=一=二iy堕吼!唑整卿；i一之曼鼬y-；一一一t一一30X-Rav Micro Section，Dry&Pryr一面苦0蠢磊晶j 减i釜鬲对i蒜苗jFailure Analysis Failure Analysis日前主要的无铅焊料合金SAC305液化线以上的温度(217219)，高于FR4印制板的玻璃化温度黠Tg(Glass Transition Temperature)(140190)。有研究表明，温度高出液化线温度的时间太长不仅对焊点有害，同时对PCB基板及焊盘强度也将产
12、生不利影响。焊接工艺参数设置不恰当，必然造成焊接界面生成的合金成分与规格不相符合，使得焊点的强度不足或脆性增加。回流焊接的冷却速率对焊点的强度与硬度也有重要影响，通常无铅焊接的冷却速率应当力求达到2-6。Cs，较高的降温斜率对焊点起到淬火作用，可以有效地增加焊点的硬度与韧性。12焊点的失效模式与原因分析当前的电子组件及焊点的失效模式不一而足，普通焊端元器件的短路、锡裂、空焊等缺陷自不屑说，而细间距的BGACSP器件则更为复杂比如焊垫翘起或坑陷等(参考图2)另外IMC问题及虚焊(Cold solder joint)、空洞(Void)、焊点大小不均、球窝缺陷焊点(Head-ln-Pillow)也较
13、为常见。这些问题的缺陷分析，应用最多的方法是X-Ray配合微切片(Microsection)金相分析法，它是失效分析(FA)其根本原因的重要方法，通过它可以对焊点的微型结构作定量分析，参考图表3。然而对于BGA类似器件育点的裂纹，一般显徼镜以及X光透视都无法检测到，即使切片也难以确定从哪里切起，而染色与渗透(DryPry)焊点缺陷定位技术则能显示出其优势。X光透视和DyePry检测的优点是判断位置准确，缺点是破坏性且时间长；X-Ray对设备要求较高，快捷并不需破坏样品。这是一种简单实用的焊点缺陷定位技术，它可以得到焊点裂纹分布以及裂纹开裂界面的重要信息。其基本原理与方法是，通过将PCBA样品置
14、于红色液中，让染色液充分地渗透到有裂纹或孔洞的地方，进行烘干处理。然后垂直剥离失效器件的焊点，元器件分离后染色的焊点界面将指示该处在强行剥离前存在的缺陷，于是焊点的缺陷被检测到。不过，染色实验配合显微镜，仅可以对BGACSP封装底部焊点做定性分析，而切片金相分析则可以对焊点进行定量分析，通过它可以判定失效的基本模式及焊点位置，参考图4。通过这一方法，首先可以检测失效焊点的分布，到底开裂的有问题的焊点集中在哪些区域，这对于改进行工艺非常有帮助，同时也可以为金相切片定准了位置。其次，在强行剥离元器件后，被染色的开裂的界面就是事前存在的缺陷，仔细观察分裂的界面，就可以判断是工艺存在的问题、抑或是PC
15、B质量问题、还是元器件的问题。这对于下一步的工艺改进也是非常有价值的。一般地，对于元器件及PCB焊盘，倘若其可焊性不佳或元器件引脚的共面性误差超过一定范围(01 mm)，或者PCB回焊后翘曲度过大，将导致焊点虚焊或其它缺陷。虽然选用活性较强的助焊剂，有助于降低元器件引脚及焊盘氧化或可焊性不佳的问题，但助焊剂的活性过强会对焊点及PCB有腐蚀作用。PCB不良导致的焊点缺陷，可能原因与元器件的非常类似，因为PCB焊盘与元件的引脚都是被焊面。元器件与PCB焊盘、焊料与助焊剂、制程工艺参数、其他辅助材料等都可能导致焊点缺陷，焊接的时间与温度不当也会导致不良，比如球窝缺陷焊点(参考图5)。总之，搞好失效模
16、式与效应分析的前提，需要分析焊点缺陷与原因之间的关系以及背后的机理。B臁c辫禳：也授碱嫁性能勰分橇飘Optm 1I麻时v相猎2霉vT“be no晰r 1 B肇r晒芒f tne睁睁d u州 樾怛卸一 再，肆翎譬I忡 ：嚣辱f耐懈囊x哺哪型BGA焊骷的灾效檬测图4染色实验与破坏性分析法X-Ray龟Cross Sect i On Analysis图5X-Ray检测到可疑的CSPBGA焊点及切片后状况图34213。焊点失效分析的基本流程要获得焊点失效或不良的准确原因或者机理，必须遵守基本的原则、方法及流程，否则会漏掉宝贵的失效信息、造成分析不能断续或可能得到错误的结论。一般的基本流程是，首先必须基于失
17、效现象，通过信息收集、功能测试、电性能测试以及简单的外观检查，确定失效部位与失效模式，即失效定位与故障定位。对于简单的PCBA，失效的焊点很容易确定，但是对于BGA封装的器件，焊点不易通过显微镜观察，这个时候就需要借助其它手段来确定。接着就要进行失效机理的分析，即使用各种物理、化学手段分析导致焊点失效缺陷产生的机理，如虚焊、污染、机械损伤、潮湿应力、疲劳损伤、应力过载等等。分析的过程，注意使用分析方法应该从简单到复杂、从外到理、从不破坏样品再到使用破坏的基本原则。只有这样，才可以避免丢失关键信息，避免引入新的或人为的失效机理。焊点的失效分析，不能对其进行维修或返工处理，否则焊点的失效原态已改变
18、，再分析就无从下手了。特别是在失效样品少的情况下，一旦破坏损伤了失效现场的环境真正的失效原因就无法获得了。失效分析首先须基于失效机理与制程过程，寻找导致失效发生的机理，并通过试验验证查找诱导失效的准确原因，从而为下一步的改进提供有力的依据。最后，根据分析过程所获得试验数据、事实与结论，撰写失效分析报告，分析报告要求事实清楚、逻辑推理严密、条理性强，切忌凭空想象。14焊点的失效判定主要方法为了表征焊点在可靠性试验前后的变化，以及准确地判断焊点的失效状况，需要对焊点的某些特征参数进行必要的检测，比如焊点的力学性能、金相组织、空洞结构等。焊点失效分析的技术方法有外观检查、X射线检查、金相切片分析扫描
19、电镜分析以及染色与渗透检测技术等，其中切片金相分析和染色渗透实验属于破坏性的分析技术，一旦使用了这两种技术，样品就被破坏了再也无法恢复。由于抽样的要求，可能扫描电镜分析和X射线能谱分析有时也需要部分破坏样品，因此在进行分析的时候要注意使用方法的先后顺序。为了配合失效分析的需要，有条件的SMI“代工厂应当建立自己的失效分析实验室(FALab)，并针对一些常规的检测工艺配置相应的设备装置，比如三维X光显微镜(3D X-RayMicroscope)、切片检查装置(Cross Section Inspection Equipment)、三维视觉测量仪(3D Vision Measuring Machi
20、ne)等，而SEM(Scanning electron microscope)设备和三维数字显微镜(3D Digital Microscope)可参考图6A图6B。为了获得PCBA及焊点失效或故障的准确定位，以便确定微切片适当的切割下刀位置，我们常用的方法是外观显微检查、X-Ray多角度显微检查、ICT或FCT测试分析三种，下面分别对其略做介绍。图6ASEM设备装置及图样视觉分析141组装板及焊点的外观检查外观检查就是通过简单的仪器设备，比如放大镜或显微镜、厚薄规、高度器等工具，对产品及焊点进行非破坏性的检查，查找焊点失效的部位并依据相关标准进行品质判定。其主要作用就是对产品的失效定位和焊点的
21、失效模式进行初步判定。比如焊点的润湿角、焊点表面的颜色、失效的位置等，并可以进行相关的统计分析，从而查找焊点的失效原因。外观检查虽然简单，却也要求作业者具有实际的作业经验；有时通过外观检查和“望闻问切”等手法，便可以找到产品及焊点的失效位置，并找到制程及工艺改进的依据，甚至不再需要后续复杂的技术分析过程。142 l CT或FCT测试分析在电子组件的不良分析与功能检测中，应该说ICTFCT或ATE技术应用最为广泛，对于BGACSP类似器件的检测效果要好于视觉检测方法，它通常可以直接查找到失效的34J4器件及焊点，甚至可以锁定失效器件的对应引脚或焊端，为切片提供有很好的依据。ICT是自动在线测试仪
22、(In-Circuit Tester)的简称，它是一种利用电脑技术，在批量生产的电子产品生产线上，测试电路板上元器件是否正确及其参数、电路装配是否正确的测试仪器。它在现代电子企业的生产使用范围很广；同时它测量准确性高，对检测出的问题指示明确，即使电子技术水平一般的工人处理有问题的PCBA也非常容易；通过使用ICT能极大地提高生产效率，降低生产成本。FCT(Functional Circuit Test)即功能测试，一般专指PCBA上电后的功能测试，包括：电压、电流、功率等。ATE(Automatic Test Equipment)即自动测试设备，用于检测集成电路功能之完整性，为集成电路生产制造
23、之最后流程，以确保集成电路生产制造之品质。ICTFCT或ATE技术它们三者都可用于PCBA的失效检测分析，而ATE还能够模拟组装板上的实际工作带载情况，从而进行电路板的可靠性及性能测试；当用于失效分析，则可以把那些PCBA上的失效器件及焊点揪出来。143焊点的X-Ray透视检查大家知道，对于不能通过外观目视检查到的BGACSP焊点和PTH通孔焊接点，通过X-Ray机器检测是非常有效的。X-Ray检测系统，是利用不同材料厚度或是不同材料密度对于x光的吸收或透过率的不同原理来成像，检查PCBA结构、BGACSP焊点及其内部状况、PTH(Plated Through Hole)通孔制程焊点内部缺陷、
24、IC器件的晶片封装及内部走线，从而对它们进行缺陷的定位或分析。目前的工业x光透视设备的分辨率可以达到lum，在SMT代工厂以二维(2D)和三维(3D)较为常见，在一些先进的实验室还有五维(5D)机型；不过5D设备主要用于封装检查，因日前因较为昂贵在SMT工厂电子产品检查中较少采用。不过，使用X光透视技术检测还需要有相关的知识和实践经验，它无法直接观测裂缝开路、虚焊问题。有关X-Ray设备及其对BGACSP焊点水平投影面积、空洞比率分析，可参考图7A&7B。图7ADAGE 3D X-Ray机器345誊j囊：蔫图7BX-Ray对BGACSP焊点投影面积计算、空洞比率分析总之，失效样品中元器件及其封
25、装底部焊点(比如QFN或BGACSP等)的缺陷分析，由于无法通过传统的视觉方法对其进行直接的观察，故失效分析变得更为复杂。PCBA不良分析的关键，便是对制程故障及失效位置进行准确的定位。有关组装板及焊点的外观检查、ICT或FCT测试分析和X-Ray透视检查，这三种方法都是非常实用有效的，它们是进行切片及焊点形状分析前的重要工作。2器件与焊点失效的切片金相分析工艺为了搞清楚PCBA及焊点失效的根本原因，通常需要对其作进一步的研究分析；而经过失效分析确定位置后，则可以进行微切片(Micro-Section)金相分析了。所谓切片金相分析，它主要分为样品的失效定位，预处理，切样，冷埋，研磨，抛光，微蚀
26、，上金相显微镜检测等步骤。它是日前业界广泛采用的非常重要的失效分析技术之一。其作业工艺与步骤主要如下：第一步从PCBA上截取经失效分析确定的不良器件或焊点部分，并进行清洁等预处理。切割取檬(Cutting)：需根据不良样品的大小，针对需要检测的PCBA器件或焊点的局部，利用慢锯或相当的工具小心切割，避免损伤到器件或焊点。经验表明，取样时切割的部位至少须与分析的器件焊点大于25mm的间距，其基本原则是不能造成要分析目标的破坏或新的失效问题。切片不可太逼近孔遣，以防造成通孔受到拉扯燮形。目的是将需要切片的焊点从PCBA上切割下来，为准备下一步的灌胶镶嵌使用。取样的过程中特别需要注意的是，要使用专门
27、的精细切割工具，如激光切割、慢锯等，同时被切PCB需要合理固定，不能使用剧烈应力或震动的设备，切割时还需注意冷却降温，否则可能导致切样的组件及焊点的损伤或破坏。金相学样品精密切割机(metallographic precision cutting machine)、精研磨抛光机(GrindingPolishingMachine)、灌胶镶嵌排气装置(Vacuum chamberEquipment)，参考图8A、8B&BC。346图8A精密的专业取样切割机 图8B微切片精密研磨抛光机图8C样品灌胶排气真空装置第二步就是使用化学溶剂清洗样品表面和焊点周围的残留物，避免残留物堵塞器件底部缝隙，让树脂液
28、更好的渗透。灌胶镶嵌(Cold Mounting)：将檬品放入模具中再将树脂及硬化剖之混合倒入模具，封腮冷埋之目的是餍固定样品溅少燮形，采用遍宜的树脂颊透明将将通孔灌满并将板檬封牢。也就是说将取得的样品置于环氧树脂中，固定并保护起来，以便接下来的切片及研磨抛光工序。灌封树脂的配料工艺，以及压克力透明胶及硬化剂配料方法及作业方法。具体工艺是，将压克力透明胶、催化剂和固化剂以100：003：003的比例倒入搅拌杯中，使用搅拌棒将凝胶搅拌1分钟以上，直至完全混合为止。将样品平放在胶模内固定好，将已混合的凝胶液体慢慢地流入胶模内，直到注满到覆盖到样品为止，参考图9。等待约3040分钟，待凝胶彻底固化好
29、；将凝胶固化的样品从胶模中取出。具体步骤是：首先，将切好的样品去除边缘的毛刺，用纯净水清洗干净后使用高压气吹干，以便环氧树脂的浸润和渗透，避免固化后在环氧脂与样品之间留有缝隙或气泡，影响抛光及观察的效果。然后，用固定环将样品垂直固定于模具中，小心加入调整好固化剂的环氧树脂，置于真空装置中以消除器件底部的空气(样品被灌封胶的表面停止冒气泡为OK)，使树脂胶充分填充器件底部的微小缝隙和排除胶体中的气泡。最后，把灌封好的样品放置到室温环境下、通风良好、温湿度适合环氧树脂固化条件的容器中进行缓慢固化。347图9灌封的树脂及硬化剂及作业手法图10研磨及抛光作业 图11研磨微蚀好的样品第三步，环氧树脂彻底
30、固化后，就可以进行切片了。将固化好的样品可靠地固定好，将要观察面平行用锯切割，获得离观察面较近的刨面，以利于后续的研磨与抛光。檬品的上下雨面必须平行；阴勤研磨楗，先行在檬本四遗及角部做研磨，生成尊角(便於手持)。研磨(Grinding)：以固定在基材上之尖锐研磨粒sharp abrasive，徒檬品之表面磨掉许多微小之碎片；研磨粒越大，研磨率removal rate越高。最常使用之研磨材料稳砂纸(sic paper)，分羯粗磨及细磨。从粗磨到细磨所使用的砂纸也当相应变化，比如刚开始可使用200400目的粗砂纸，接近观察点时可改用1200目左右的精细砂纸，每一道工序都要转动样品90度角，并磨至上
31、一道工序的划痕消失。磨完后需要使用不同规格的抛光布和抛光膏进行抛光，结束后还需要通过超声波清洗干净，直到获得没有划痕的清晰的金相切片图为止，参照图10。其具体作业要求是：将砂纸放在研磨横的研磨台上(第一次用180#左右的即可)；阴勤研磨梭，先在檬本四透及角部做研磨，生成尊角便於手持；将需切片分析面平贴砂J纸，研磨至待切片位置附近，在将檬本切片分析面的封愿面舆砂纸平贴造行研磨，研磨平滑即可(雨面需盍量平行)；用金相颗微镜觐察研磨效果：如可行则将研磨台的砂煮氏切换羯虢敷较高的砂纸，魑绩研磨至表面刮痕燮细燮浅，直止燕刮痕。抛光(Pol ishing)：在软性之抛光布上混上颗粒细小之缵石液或氧化铝悬浮
32、液，用以去除研磨步骤中所造成之燮形(deformat ion)及刮痕scratch取得燕刮痕之反射镜面，亚得以在颗微镜觐察檬品之金相。抛光畴所加的墨力要轻，往祓次敷要多，效果才好。348一一m曩一抛光步骤：(1)、将抛光布置於研磨横地光台上；(2)、抛光作棠用氧化铝(A12 03)粉舆纯净水调配成抛光剖。(氧化铝粉目前有使用luln03um，混合比例氧化铝粉：水约褊1：10)；(3)、阴勤研磨横，将溶剂持绩少量的倒在抛光台上，封檬本造行抛光，富切面燮的平滑後即可。第四步完成精细抛光的样品切割面须进行微蚀处理(Micro etch)。微蚀处理即使用适当的腐蚀液擦洗金相界面，以便可以更好地观测金属
33、间化合物的生长情况以及缝隙与裂纹的状况。通常不同的合金界面需使用不同的腐蚀液配方，比如对于锡铜合金，一般使用1：1的氨水(2530)与过氧化氢(35)的混合液。腐蚀的目的是将金属间化合物(IMC)和其它金相结构更好更清晰地展示出来，同时避免原有的缝隙被软的金属或毛屑堵塞，致使缝隙不能清晰显示。将抛光面用水或稀酒精洗浮及吹乾後，即可造行微蚀，以找出金属的各自居面，以及结晶状沉，只有轻抛敦次，做微蚀，才可觐察其真像。微蚀液配方如下：“10 cc氨水+10 CO纯水+23滴蔓氧水”混合均匀後，即可用棉花棒沾液，在切片表面轻擦约2秒筵，注意铜面虎骚出氟泡的现象，23秒後立即用水将蚀液冲掉，蓝立即用衡生
34、糸氏擦乾，勿使铜面绻缜氧化，否则lOOx颗微下舍出现棕黑色及粗糙不堪的铜面，良好的微蚀将呈现觯红铜色，且结晶及分界清楚。微蚀液至多只能维持1小畴，棉花棒用12次後也要换掉，以免污染切面上铜面的结晶。第五步，使用专门的SEM金相显微镜对获得的切片进行观察和分析。缝抛光及微蚀後，若只觐察切片之焊黠表面有燕空焊，锡裂等外觐现象畴，便可不用对样品进行微蚀处理，参考图12。图12微切片精密研磨抛光后的截面状况349图1 3研磨微蚀好的BGA和QFN的SEM检查图片SEM颞微镜觏察时，觏测倍敷应当徒小到大逐步放大，直至调至所需遍合倍敷稳止。把显微镜焦距调至最佳，而后截取图像保存固片，参考图13。与此同时，
35、对其造行细致的测量、分析、判定。可以说，微切片金相分析，封于鼋路组装板及焊点正猫如X光片封臀生看病一檬，可有助于查出产品失效同题的症结所在，为生崖综的制程技术人员排除困扰与疑惑，针对问题开出解治良方。总之良好的切片，常有意想不到的好虎，使做的人有很大的成就感，是故日益捣桨界研究者所不断的追求与重视。3切片金相分析的应用实例与判定依据通过金相分析可以得到反映焊点质量的微观结构的丰富信息，为生产的质量改进提供很好的依据。金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形象，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关
36、系。因此，用金相显微镜来观察检验分析金属内部的组织结构，是工业生产中的一种重要手段。光学金相显微术日臻完善，并普遍推广使用于金属和合金的微观分析，迄今仍然是金属学领域中的一项基，本技术。金相显微镜(Metallurgical Microscope)，用来观察金属切片试样表面(金相组织)的显微镜，通过它可以对金属和合金的结构、形态及特性的微观研究。金相显微镜将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起，因而开发研制成的高科技产品，它可以在电脑上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析、评级等，同时可以对图片进行输出或打印。它包括光学放大、照明和机械三个系统。它可显示50
37、0O2 m尺度内的金属组织特征。31焊点的IMC及形态的分析350根据金属样品表面上不同组织组成物的光反射特征，用显微镜在可见光范围内对这些组织组成物进行光学研究并定性和定量描述。不过该方法抽样要求工艺较为复杂，需要训练有素的技术人员来完成，另外抽样费时较长。有研究表明，焊接后要使焊点具有一定的连接强度，必须生成金属问结合物，此合金层由共晶体、固溶体、金属间化合物(IMC)的混合物组成。金属间化合物与母材及钎料的结晶体、固溶体相比较，强度是最弱的，因此IMC过厚对焊点的性能是不利的。图14研磨及抛光作业 图15研磨微蚀好的样品命名 分子式 宣臻量 出琨驻遇 所在缸器 糖色 龉晶 性能 表面麓_
38、prIase Cu孰 60 高蕊巨弱 介於铎爨 自色 球敞 良性1c 甚高E培) 时蝌 浩埠弱清 典嗣褒之 蛆蠢 翮黜甏翁藏踌 髑的介画 度之必累立鄹生成 虑 绦件ephass cll禽 30 焊镁萏涵 介茨 硬色 挂状 惑佳啪 投低只E州lon) 时袱 澄渊 Cup。舆 鞲昌 将濑後 有Ela留烈匕iii潞 龋面Z蠲 曩涮藏张生 不；占翔图16两种铜锡合金之IMC特性比较在焊接过程中，PCB的表面处理层Ag舆Au不参舆焊接，只是保遴底眉Ni或cu不发生氧化问题，并且这些镀层并非越厚越好。在焊接遇程中，镀金层(Au)太厚舍麈生金脆，浸银太厚(Ag)舍崖生A93Sn的IMC，这对焊接黠强度燮差，
39、参考图14&图15。良性IMC是Cu6Sn5(rl-phase)一含锡量约60W，呈白色球状组缄，崖生於焊接初期，是良好焊锡性必借的傺件。恶性IMC是Cu3Sn(一phase)一含锡量豹40髑，呈灰色柱状结晶，它在焊接后缝遇畏畴同及高温老化後逐渐骚生，其表面能只有rlphase的一半，在焊接性能的表现上羯缩锡或不沾锡。两种铜锡合金之IMC特性参考图表16。32焊盘与焊点的分析结果判定PCB的涂镀层种类常见的有有机可焊性保护膜(OSP)、化学镀镍浸金(ENIG)、浸银(ImAg)、浸锡(ImSn)和热风整平(无铅的有SnCu或SnCuAg合金)等多种。因此，在351分析焊盘质量问题导致的焊点失效
40、时，要特别认清每种表面处理的特点与焊料的兼容性，在此主要说明一下ENIG的主要特点。随着电子产品的小型化和绿色制造要求，以及简单工艺及低成本控制需要，焊盘的表面处理工艺越来越多地采用化学镀镍浸镀金(ENIG)。化学镍金(ENIG)虽然较为简单，不过如果工艺控制不好及其容易造成焊接点不良。ENIG表面薄薄的金层只是起着对镍层的保护作用，金层的厚度不宜太厚或太薄(正常O05 u m)，一旦工艺控制不当造成了镍层的氧化，将导致焊接点的可靠性问题。须知真正需要焊接形成金属间化学物的是镍而不是金，金在焊接时熔解到焊料中，焊接点合金如果金的含量偏高则造成焊点的金脆现象，对焊点的强度和韧性不利。因此，加强对
41、ENIG表面处理的PCB的质量检查是非常必要的。空洞的允收规乾不同的公司可能略有差异：譬如IBM韶弱，BGACSP球脚焊黠徒截面上兢察其空洞面稹不可超遇15；Motorola韶稳空洞在截面稹上的比例不可超遇24；Solectron：勰羯空洞面横比的允收上限羯25；Delco韶稳不管空洞的大小如何，德敦均不可超遇4倜，截面稹允收之上限比例羯1 6；General Instruments豁菊空洞的截面稹比例不可大於15。图1 7鸥形引脚焊点内部切片分析图18混合制程器件焊点切片 图19 BGACSP焊球点成分分析焊点的强度与连接可靠性，取决于钎焊的金相组织结构和结合层的厚度，它们主要包括机械可靠性
42、和电气化学可靠性两个方面。金相切片用途广泛，可用于各种焊点以和352PCBA通孔及内层结构分析，比如鸥形引脚焊点、混合制程器件焊点、BGACSP焊球点成分分析、PCBA通孔及内层切片，参考图17、图18、图19和图20。值得注意的是：焊盘可焊性不良及焊料润湿性不良导致焊接失效的可能；而过厚的锡铜与锡银IMC则增加焊点的脆性，降低焊点的机械强度，从而导致对外界的机械或热应力的抵御能力下降。有研究表明，焊点抗拉强度与金属间化合物(IMC)厚度关系密切，其厚度为05 uIll时抗拉强度最佳，在054 u m之间时的抗拉是可接受的。理想无铅焊点的IMC厚度范围应当控制在0525 u m之间；而有铅(6
43、3Sn37Pb)焊料与铜铂焊接其厚度应当控制在1235 u m。IMC厚度小于05 u m时，由于太薄几乎没有强度；当大于4 u m时由于IMC太厚，相对于两边的Cu和焊料合金而言，其热膨胀系数大，结构疏松脆弱，因此也会使强度变小。IMC的厚度测量分析方法，可参考图21。图20 PCBA通孔及内层切片图21焊接点IMC厚度测量分析总之，钎焊中不能没有IMC但不能太厚，因为IMC较脆与基板材料、焊盘和元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，因此容易产生龟裂而造成失效问题。切片的虑用：PCB铜箔厚度的判定：譬如某量废横獯生虚中有铜箔烧断的现象，缝工程初步分析勰蔫有可能是PWB板铜箔的厚度不麴引起，褐了
44、谧寅推断，所以造行切片分析寅黢。其寅黢步骤为：1在PWB板上截取失效样品；2倜位置做成切片；3用研磨横将其研磨蓝抛光；4用鼋子颗微镜遴取切面固片量测分析(单位：u m)。一一总结电子组件(PCBA)及焊点的失效分析，首先必须发现问题、明确分析对象和失效发生的背景，然后遵循相关流程与方法，循序渐进有条不紊地展开，力求快速而准确地找到失效位置并作出初步原因判定。这是进行微切片金相分析的前提，也是其不可或缺的基础性工作。PCBA的失效原因归纳起来大致可分为两类：一是组件上的元器件失效；二是组件的互连焊点和PcB内部的互连失效。在处理生产制程不良与客诉时，为了搞好不良品缺陷分析及改善对策，帮助客户答疑
45、解惑并恢复信心，务必找到样品失效的根本原因，并确定其改善对策。与此同时，还须把改善对策不折不扣地落实到工作中去，持续追溯并须确认问题被有效解决，是非常重要和必要的。金相切片分析，就是通过不良取样、镶嵌固定、定点切片、研磨抛光、切面微蚀、显微观察等一系列手段，获得器件、PCBA及焊点横截面金相结构的过程。在做金相显微镜检测时，须清楚掌握有关金相分析仪的操作方法与技巧，并清楚地知道PCB焊盘结构、焊点IMC厚度优劣的判定方法。总之，在作业时务必注重细节，整个作业工艺要求一板一眼，每一步的作业都必须耐心而细致，不然就达不到预期的效果甚至得出错误的结论。电子产品及组件的质量和可靠性水平，已经成为影响一
46、个电子企业发展的关键因素，而有效的组件及焊点的失效分析(FA)，是提高质量和可靠性的重要保障。切片金相分析，在电子组装业界的失效分析中颇为实用且应用广泛，它是SMT品质管理中重要的技术手段。品质缺陷问题只有原因分析得好，才能掌握正确的因果关系，才能找到产生问题的根本原因，进而制定出合理的管制方法，确立合理的改善方案。参考资料1、罗道军先生编著绿色电子组装技术与案例研究，第3节“组件的失效分析技术及343金相切片分析”，Page2930， 2010年12月电子工业出版社出版。2、华南理工大学张新平教授演讲论文微尺度BGA结构焊点界面反应及可靠性的尺寸效应，2011年11月中国深圳电子制造技术高峰年会。3、台达(DELTA)电子零组件(东莞)有限公司“电子组件(PCBA)及焊点金相切片的制作舆分析”的相关资料与图片。4、杨根林东莞东聚(Primax)电子电讯制品有限公司“SMT电子组件的品质缺陷与客诉对策”，资料来源现代表面贴装资讯2011年8月第4期，Page2941。354SMT电子组件及焊点的失效判定与切片金相分析作者： 杨根林作者单位： 东莞东聚(Primax)电子电讯制品有限公司SMT厂引用本文格式：杨根林 SMT电子组件及焊点的失效判定与切片金相分析会议论文 2012
