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车载电子:电池FPC连接片虚焊失效分析

新阳检测中心 来源:新阳检测中心 作者:新阳检测中心 2022-07-08 14:42 次阅读

案例背景

某车载电池充电异常,经新阳检测中心初步分析是内部FPC连接板接触不良导致。连接板由FPC+镍片+SMD元件+PI膜构成,如下图:

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分析过程

X-Ray检测

通过X-RAY检测,可以明显辨别出Ni片与FPC焊盘之间存在虚焊不良。而且未虚焊的点位均存在较大面积的焊接空洞。

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失效焊点的剥离表面分析

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针对异常连接点,将镍片剥离后,对其表面特征进行分析。分析发现:

Ni片焊接剥离面Sn为自然聚合状态,表面光滑,无拉扯或锯齿状态。

FPC pad面偏灰色,表面光滑,有明显坑状气泡空洞痕迹,无拉扯或锯齿状态。

通过SEM分析显示,pad表面平整,结晶规则。整体呈现灰白色,结晶颗粒约2μm左右。

EDS分析结果显示,pad面主要以Sn、Cu金属成分构成。C、Cl主要来自于剥离面的附着物,据此判断为助焊剂残留物。同时,Sn、Cu元素产生了相互熔合渗透。

剥离面外观确认

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Ni片焊接剥离面:Sn呈自然聚合状态,表面光滑,无拉扯或锯齿状态。

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FPC pad焊接剥离面:断面偏灰色,且表面光滑,有明显坑状气泡空洞痕迹,无拉扯或锯齿状态。

剥离面SEM分析

Ni片焊接剥离面SEM图示

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FPC pad焊接剥离面SEM图示

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剥离面EDS分析

Ni片焊接剥离面的成分分析

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FPC pad面焊接剥离面的成分分析

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失效焊点的切片断面分析

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针对失效焊点,对其进行切片断面分析。

分析发现:

断面金相分析发现:Sn与FPC pad分离,FPC pad铜面弯曲变形。焊锡呈自然的凝聚弧形状态。从其整体状态判断,内部受到了热应力作用即热膨胀。

SEM分析发现:焊点断裂面位于Sn与pad侧的IMC层,断点在IMC层整体贯穿。IMC层整体连续、均匀,厚度2.0μm左右,状态良好。部分Sn面呈自然凝结弧状。

EDS分析发现:pad上的IMC层以Cu、Sn构成,重量比约为40:60,为Cu6Sn5结构,是良性IMC。断裂面的焊锡侧为100%Sn成分,进一步说明断裂面为Sn与pad侧的IMC层。

Ni片侧、pad侧的Sn结晶状态无明显差异,说明焊锡过程是同步的。

在断面上检出较明显的助焊剂残留。

切片断面分析

切片断面金相分析

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切片断面SEM分析

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切片断面EDS分析

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良好焊点的切片断面分析

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电阻焊接的焊点,焊接状态良好,IMC层连续、均匀,厚度1.46μm。Ni片与pad之间无段差。

切片断面分析

切片断面金相分析

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切片断面SEM分析

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FPC pad与Ni片组装结构部分FPC pad相对平面有50μm-60μm的段差,即下沉,部分无段差。

工艺流程:Ni片SMT回流焊接→PI膜→SMD元件焊接,即Ni片在PI膜贴附后还要回流一次。

组装结构

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部分FPC pad相对平面有50μm-60μm的段差,本次分析的样件对比如下:

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PI膜热压后,Ni片焊接部分被完全封闭,即Ni片与pad焊接部分形成完全密闭空间。

分析结果

不良解析

综合以上检测信息,分析如下:

从虚焊点的平面与断面的分析结果可以判断——Ni片与FPC pad第一次回流焊接形成了良好的IMC层,焊接成功。焊接失效现象发生在后续工艺之中。

虚焊点的典型特征

FPC pad断面平滑,Ni片上附着的Sn表面及切面均呈自然冷却形成的弧状形貌。

虚焊面在Sn与IMC层之间。

失效焊点空间均呈热膨胀状态。

FPC结构及工艺的缺陷

FPC失效焊点的pad下沉约60μm,Ni片与FPC上的PI膜之间形成了应力集中点,如以下对比图所示——在热膨胀作用时,第一种状态容易受到热应力。

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焊接点存在较大面积的空洞(最大75%左右),且有助焊剂残留。

PI膜工艺使Ni片和FPC的焊接点形成了完全密闭的空间。在第二次回流焊时,会造成焊接挥发的气体无法排除,从而在内部形成热胀空间。

由于该产品的工艺特点,焊锡在第二次SMT时会再次经过熔化到冷却的过程。Sn与Sn之间的亲和性远高于Sn与IMC层之间的亲和性。

原因总结

综合以上分析,判断造成焊接失效的原因如下:

由于该FPC组装工艺的限制,在密闭空间内的焊点二次熔化时,焊点内部存在的空洞及助焊剂残留挥发物再度受热膨胀。

同时由于FPC本身的造成的段差,即与Ni片接触的PI膜,热膨胀对Ni片边缘产生应力,综合引起FPC铜面受力变形下陷。

并且由于焊锡的亲和作用,Sn与IMC层产生了自然分离,故形成虚焊。

改善方案

FPC 焊盘设计

建议措施

FPC 焊盘改善为无段差结构,Ni片与焊盘直接接触。

目的

保障锡膏印刷质量;

减少焊接时的热应力。

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FPC生产前烘烤

建议措施

每批次FPC板在上线前烘烤。

目的

除去内部湿气,避免焊接时的内部湿气释放,形成热应力。

钢网

建议措施

建议钢网厚度由0.08mm变更为0.11mm;

现状钢网开口的排期通道设计不足:
①排气通道由0.2mm变更为0.25mm;
②开口图形建议如下:

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目的

①增加锡量;

②增加焊接时的排气性,减少焊接空洞;
③减小第一次回流焊接时的虚焊隐患;

回流温度

建议措施

对第一次回流焊接时的温度做整体评估。

目的

减少焊接空洞。

Ni片焊接后清洁

建议措施

Ni片焊接后,对孔内及边缘部分残留的助焊剂进行清洁。

目的

减少助焊剂残留,从而减少二次焊接时产生挥发性气体;

PI膜的密封性设计改善

建议措施

建议Ni片孔位置不封PI膜,在二次回流后采用密封电阻的方式,点胶密封。

目的

避免形成密封空间,导致内部热应力无法释放。

本篇文章介绍了电池FPC连接片虚焊失效分析,如需转载,后台私信获取授权即可。若未经授权转载,我们将依法维护法定权利。原创不易,感谢支持!

新阳检测中心将继续分享关于PCB/PCBA、汽车电子及相关电子元器件失效分析、可靠性评价等方面的专业知识,点击关注获取更多知识分享与资讯信息,也可关注“新阳检测中心”微信公众号。

最后,如您有相关检测需求,欢迎咨询,我们将竭诚为您服务。

审核编辑 黄昊宇

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