摘要
目的：
分析模块贴片针处容易开裂脱落失效原因，为生产提供有效的改善对策。
方法：
通过对失效开裂样品进行切片分析确定断裂层位置，扫描电镜能谱分析断裂层两侧的形貌及元素成份。
结果：
确认断裂层在贴片针表面的镀镍层中间位置开裂，进一步分析贴片针断裂面两侧的镍镀层发现成份有差异，即靠近贴片针本体的一端镍层不含有P，另一侧的断面镍层含P，对比良品贴片针表面镀镍层只含P一种。
结论：
失效样品的贴片针表面有含P层和不含P层两层镍，应该是先电镀工艺（镍不含P）后化学镀工艺（镍含P），期间镍层在空气中钝化导致两层镍结合力下降而断裂，供应商排查证实了该工艺，该批次的贴片针生产过程发现镍层厚度不足而返工加厚了层镍，另外还对解决措施提出了一套可靠性验证方法。
关键词
贴片针镀镍层脱落开裂；化学镀镍含P和电镀镍不含P；可靠性验证方法
1
故障或失效情况
某单板在做整机高温测试时，发现单板上的某模块输出不上电，故障表现为按压模块电压输出正常，放开输出异常，镊子轻轻翘下模块上的贴片针就脱落，需找到失效原因并提出改进措施。如下图1所示：
图1失效样品模块及贴片针外观图
2
诊断过程
2.1外观检查
对断裂面进行外观检查，发现断面光滑平整，初步判断为非机械应力导致的断面特征，见下图2所示。
图2贴片针断面外观检查图
2.2切片定位分析
1pcs模块与贴片针断裂但完全未分离的样品，对其进行切片发现：开裂位置位于在模块PCB侧的焊料与贴片针上端(下图界面2)；
图3贴片针上下部分结构示意图
图4贴片针界面2断面切片图
2.3扫描电镜能谱分析
对下图三个位置分别能谱分析，结果在贴片针侧的断口镍层中间不含P，模块侧的断口含有P，未断裂的贴片针焊接面同样发现有含P和不含P不同的两层，故判断贴片针为先电镀镍工艺后化学镀镍工艺，为非正常工艺，另外对贴片针供应商排查也证实了该结论，为该批次的贴片针生产过程发现因镍层厚度不足而返工加厚了层镍。
图5能谱分析位置图
图6贴片针界面3非断裂区切片图
2.4镀层正常的贴片针焊接对比分析
镀层正常的贴片针EDX谱图对比，发现其整个表面镍层中均不含P元素，为电镀镍工艺为正常工艺（见下图）。
图7镀层正常的贴片针焊接未开裂切片SEM图
2.5失效机理及实验分析小结
1）贴片针侧的断口能谱分析发现Ni层中不含P元素，断口另一侧Ni层含有P元素。因此判定贴片针的Ni层有含P和不含P两层不同的Ni层，而与失效样品不同批次的贴片针对比没有发现此问题，可判断供应商在镀镍过程中采用了电镀和化学镀两种混合镀Ni工艺。
2）化学镀镍实际上是Ni-P合金，磷离子（P2+）在镀液中作为还原剂（P2+P4+），但是有些磷离子能够自我还原成单质磷（P2+P0）并和Ni一起沉积[2]，故化学镀Ni中含有P元素缘故。而电镀镍是在镍盐（硫酸镍，氯化镍和硼酸）溶液中，以被镀金属为阴极，通过电流作用使镀液中Ni2+离子在基体金属表面沉积（Ni2++2e-Ni），故在电镀Ni中不含有P元素。如先电镀层镍后，镍层在空气中会发生钝化作用，再化学镀层镍与已钝化的镍层间的结合力降低导致容易出现开裂异常。供应商排查也证实，因发现电镍层厚度不足而采用加化学镀镍返工处理。
3）为什么在界面2处开裂但在界面3处不开裂？这主要是由于贴片针在界面2处的焊接面积比在界面3处的焊接面积小，根据F=P*S可知，在同样条件下界面2处的可承受的力比界面3处要小。
4）对比镀层正常的贴片针整个表面镍镀层中不含P（即为电镀工艺），为正常的加工工艺。
3
整改措施之点胶验证
3.1.点胶后可靠性验证
(1)样品情况
第一组样品为测试通过的10pcs单板进行点胶处理，点胶工艺条件：模块四周点胶确保模块与单板间填满胶，点胶静置10min后，95℃环境温度下放置30min烘烤；第二组样品同样为测试通过的10pcs单板不做点胶处理对比，两组样品一同做可靠性实验。
图8点胶后的样品外观
（2）可靠性实验条件
A.振动：随机振动，加速度30g和40g；X、Y、Z三个方向，每个方向10min；
B.冲击：半正弦波；加速度30g；脉冲宽度：16ms，冲击5次；
C.温度循环实验：温度：-45~℃，个循环，使用模型(coffin-manson)进行寿命评估；
(3)实验结果
经可靠性测试后，没点胶的单板模块贴片针镀层有脱落失效；点胶的单板模块贴片针镀层没有脱落失效，说明点胶工艺能对模块有机械加固作用,且产品可靠性能够满足规定要求。
3.2.电应力验证
（1）样品情况
第一组样品为测试通过的5pcs单板进行点胶处理，第二组样品为测试通过的5pcs单板不做点胶处理对比，模块上取8个位置和温度传感器连接，见下图所示。
图9样品和温度传感器连接示意图
（2）测试条件
对共10pcs模块样品在环境温度55℃和85℃下上电带载工作，输入电压5.5V，输出电压选择3.3V输出，输出电流额定负载。当环境温度稳定约1小时后，测试点温度基本稳定不再明显变化时，记录此时温度作为温升温度，另将模块在85℃下3.3V输出额定带载14A（加风扇）的条件下连续运行24h，观察是否能正常工作。
（3）实验结果：
a.点胶模块与未点胶模块在85度和55度满载情况下均能工作正常；
b.点胶模块比未点胶模块同时工作1小时后，对比各处温差没有明显差异；
c.在85度下连续运行24小时后模块所有的焊点都完好，未开裂。
结论：机械械振动、冲击和HALT试验和高温电应力等试验后的数据对比显示：点胶对整机高温测试通过的单板上的贴片插针具有机械加固的作用且能够满足产品的可靠性要求，不影响模块正常工作。为后续的解决措施提供了有力的数据支撑。
*此文在中国电子学会可靠性分会第18届可靠性物理年会上被评为优秀论文。
参考文献:
[1]IPCA-标准
[2]A.H.Graham,R.W.Lindsay,andH.J.Read,J.ElectrochemicalSociety,April,p
作者简介:
曾文强,男，本科,工程师,主要从事电子装联工艺与材料可靠性工作。
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