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

魏凱 馬雄 白偉 嚴磊 宗文超

摘要：針對家用電器產(chǎn)品發(fā)光二極管引腳焊接不上錫問題，結(jié)合SEM&EDS進行分析，并研究引腳分子成分表明，通過退火預(yù)處理可以使引腳Cu層成分分布均勻，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，降低引腳上錫不良率。

關(guān)鍵詞：LED；二極管；退濕潤；空洞；

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(dǎo)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）。

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。

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）。

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。

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10μm。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。

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。

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(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

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(dǎo)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。空洞的存在表明未上錫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(yù)處理，在回流前以一定溫度進行退火預(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：

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[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.