魏凱 馬雄 白偉 嚴磊 宗文超

摘要：針對家用電器產品發(fā)光二極管引腳焊接不上錫問題，結合SEM&EDS進行分析，并研究引腳分子成分表明，通過退火預處理可以使引腳Cu層成分分布均勻，晶粒尺寸的長大能夠排除部分雜質，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品性能，而電器產品不工作等售后質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，消費者對家電產品功能失效的投訴增多，二極管不上錫導致的產品質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)現異常樣品以及失效批次產品浸錫后的引腳上均存在上錫不良的現象（見圖1）；主要表現為局部退濕潤，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：

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 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 Sn 鍍層表面、內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。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。

通過更改鍍層結構，減緩界面組合元素的不平衡擴散，生產過程中回流焊設備前進行預處理，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，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聯用在半導體器件失效分析中的應用[J].半導體技術，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層微結構演化及力學行為分析[J].鑄造技術，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.