车载电子：电池FPC连接片虚焊失效分析
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：
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。
失效焊点的剥离表面分析
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
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。
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
fpc pad焊接剥离面sem图示
剥离面eds分析
ni片焊接剥离面的成分分析
fpc pad面焊接剥离面的成分分析
失效焊点的切片断面分析
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
切片断面sem分析
切片断面eds分析
良好焊点的切片断面分析
有电阻焊接的焊点，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
切片断面sem分析
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
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：
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。
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。
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：
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。
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失效焊点的剥离表面分析
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
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。
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
fpc pad焊接剥离面sem图示
剥离面eds分析
ni片焊接剥离面的成分分析
fpc pad面焊接剥离面的成分分析
失效焊点的切片断面分析
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
切片断面sem分析
切片断面eds分析
良好焊点的切片断面分析
有电阻焊接的焊点，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
切片断面sem分析
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
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：
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
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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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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
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目的
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目的
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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
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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。
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