電路板零件掉落,該如何著手分析、判斷並釐清問題點

【電路板零件掉落】似乎是很多製程及品管工程人員的夢饜,工作熊之前也曾經撰文分享過自己遇到的幾個零件掉落的案例,只是每個人所遇到的問題都不盡相同,有鑑於許多新手碰到這類問題大多不知該從何下手開始分析,所以這裡就來分享一下自己的方法與步驟給大家參考。

(當然,歡迎專業人士提出您的見解,畢竟有意見或火花才會有進步,工作熊也不敢說自己的方法或步驟就是最好,就只是經驗分享。)

一般如果是電路板上的零件掉落,其問題大多與「焊接品質」脫離不了關係, 而其最終答案似乎不外乎下列幾種之一,或是混合兩種以上結果:







電路板零件掉落不良分析的幾個步驟:

以下就針對店路板零件掉落來分析步驟來陳述,因為硬要把某些動作分步驟,可是有些步驟似乎又與其他步驟相關,所以如果有說明不清楚的地方,請留言討論。

第一步,資訊取得

這點很重要,如果源頭錯了,後面再怎麼精彩都是白費。

請先向問題反應者確認不良現象的描述為何,並且先試著查詢瞭解下列的資訊:

  • 發生什麼問題?請盡量將不良的現象描述清楚。零件是在什麼情況下掉落?產品有沒有摔落過?在什麼環境下發生的(加油站、室外、室內、空調)?有沒有經過什麼特殊的測試(高低溫)?
  • 問題發生在客戶端?還是生產製程中?問題是在製程的那一個步驟發生或發現?
  • 問題是什麼時候發生的?是生產過程中發現?或是成品測試時才發現?不良品有沒有集中在同一個Date-code?
  • 板子的表面處理為何?ENIG?OSP?HASL?ENIG會有黑鎳問題,HASL會有第二面過爐吃錫不良問題,OSP會有過期吃錫不良的問題。
  • 板子的厚度? 0.8mm?1.0mm?1.2mm?1.6mm? 板子越薄,變形彎曲的機會就越大,錫裂的問題也就可能越多。
  • 零件焊腳的表面處理為何?Matte Tin?鍍金?
  • 錫膏的主要成份?SAC305(錫銀銅)?SCN(錫銅鎳)? 不同錫膏的熔點會不一樣。
  • 如果可以調出當時的reflow量測曲線最好。

第二步,取得不良品,保留證據以利後續分析

請取得不良品的電路板實板,如果零件已經完全掉落,最好也要取得掉落的零件,這樣才有對照組可以作完整的分析。不良品如果不只一件,衡量實際狀況,可以取得越多越好。

第三步,檢查電路板的焊性

拿到不良品後,要同時檢查電路板及零件腳的焊性,觀察其間的差異。

檢查焊性時,建議要在顯微鏡(microscope)下觀察,這樣比較可以看到一些細微的問題。

要查看焊錫在電路板的焊墊(盤)上有無拒焊或是縮錫(de-wetting)等不良現象,這類問題通常來自電路板的表面處理不良或是電路板的儲存環境不佳以致造成焊墊氧化而引起。

當然有時候也會有回焊爐溫度不足造成焊不上去的問題。這時候可以用烙鐵試看看焊墊能不能吃錫,如果連烙鐵都吃不了錫,就幾乎可以判定為PCB本身的問題了。

請注意:有些噴錫板使用「錫銅鎳(SCN)」的成分,其熔點比SAC305高了10°C。SAC305熔點為217°C;SCN熔點為227°C。

如果也可以進一步排除電路板儲存條件不良所造成的氧化,就可以請PCB供應商過來直接看產品,或是把PCB退給供應商分析處理了。

如果有爭議,可以先量測表面處理的厚度。一般ENIG要檢查金層及鎳層的厚度;而HASL要檢查噴錫的厚度,OSP就直接看有無氧化。

如果還有爭議,就要作切片作詳細的分析了。

更多閱讀:
無鉛噴錫板(HASL)上錫不良資料收集
ENIG表面處理PCB焊墊的兩大潛在問題(黑鎳與富磷層)及預防措施

第四步,檢查掉落零件腳的焊性

建議也要在顯微鏡下觀察零件腳的焊錫性,這樣比較可以看到一些細微的肉眼看不到的現象。

要查看零件腳上是否吃錫良好,建議檢查一下零件腳的鍍層組成成份,查看看其熔錫溫度是否符合迴焊爐的溫度。有些使用銀鍍層濺鍍處理的零件,其濺鍍銀只是附著在零件表面,其銀成份容易被SAC錫膏吃掉,造成焊接強度降低的問題。

請注意,有些零件腳的切斷面會有露銅沒有電鍍的區域,這個地方通常不易吃錫,但一般都會設計在不需要吃錫或是不重要的地方。QFN側面就不一定要吃到錫。

更多閱讀:
QFN封裝的焊接品質
零件掉落與端點使用銀鍍層的關係?

第五步,檢查掉落的零件腳是否連帶焊墊一起帶起

如果電路板及零件腳的焊性都沒有問題,就要看看電路板上的焊墊/焊盤是否也脫離了或連在掉落的零件腳上,如果是,也可以進一步確認零件與PCB的焊接是良好的,更可以證明回焊(Reflow)沒有問題。

如果焊墊沒有被掉落的零件一起帶走,這時候可以先檢查回焊的溫度曲線有無符合錫膏的要求,如果有多餘的不良品,最好可以用烙鐵試看看能否將掉落的零件焊接回電路板。如果可以焊得回去,表示溫度或是錫膏可以加強來克服這個問題,不過建議要作一下零件的推力測試,拿確認沒有問題的板子,與現在重新調整錫膏與溫度曲線的板子,一起作推力比較有無差異,如果有差異,建議檢查一下PCB的表面處理,有時候表面處理不良,會造成局部焊墊氧化,ENIG的表面處理可能有黑墊問題,HASL的第二面可能會有IMC已經生成問題。

更多閱讀:
零件掉落與鍍金厚度的關係

第六步,檢查零件掉落的斷面

請在顯微鏡下觀察電路板及零件腳的剝離面,看看其斷面是粗糙或是光滑面。粗糙面通常是受到一次性的外力造成零件剝離掉落;光滑面通常是長期震動下造成的斷裂,如果是ENIG的PCB也有可能是黑鎳造成剝落在鎳層。

第七步,切片檢查IMC打EDX

如果以上的步驟都沒有辦法判斷零件掉落的問題,最後就要作破壞性的切片了,切片的時候建議電路板及掉落的零件都要作。

作切片的目的有二:

  • 檢查有無IMC生成,IMC生成是否均勻,另外要打EDX看看是哪種IMC成份。不在乎IMC的厚度,IMC如果生長不均勻或局部沒有生成就會降低焊錫的強度,零件的推力就會降低。IMC生長不良原因可能是氧化或溫度不足。
    延伸閱讀:
    PCB焊接強度與IMC觀念
  • 精準的確認斷裂的地方發生在哪一層。
    如果斷裂點在IMC層,通常表示焊錫性沒有問題,但是焊錫強度不足以應付外力對它的衝擊,這一般是社計上必須解決的問題。只是有些RD會要求BGA或零件加Underfill或點膠來補強。
    如果斷裂面不在IMC層而在PCB端,那就比較偏PCB的問題了。
    相反地,如果斷裂面在零件端,就比較偏向零件的問題。

以上只是個人的經驗整理與分享,歡迎您提供自己分析問題的方法。


延伸閱讀:
Micro-USB連接器掉落的解決對策
連接器使用一段時間後掉落問題探討
板對板連接器(B2B connector)掉落的改善措施
如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?

 
 
訪客留言內容(Comments)

感謝熊大的分享,不過也有一些狀況是非整批性的問題只有出現少量比例的零件掉落,那就多為PCBA handling issue了,其實也可透過不良零件旁的flux殘餘狀況判定是reflow前或reflow後發生, 當然零件掉落斷面的觀察也非常重要,如發現斜面的裂紋可能有應力造成,如果發現一些放射狀的裂紋就可能有點狀壓力了,請參考

肥喵;
不錯的經驗分享!當初沒有想到這一些產現撞掉的情況~

请问你的文章可以转载吗?

Wu;
請參考「文章轉載原則
其實作者寫一篇原創文章或是整理文,通常得要花上好幾個工作天的時間,有時候甚至要好幾個星期來收集資料並醞釀,最後才能完成一篇文章,如果您可以體會作者的辛苦,相信您對於文章轉載就會有不同的想法,畢竟純粹的複製、貼上這種行為是很難瞭解創作者的辛苦。

分析的面很广,鼓掌!
按照上述步骤来分析,恐怕一个问题要花很长时间才能得出结论,或者无头案也有可能!

工作熊您好,
小弟拜讀您的文章(電路板零件掉落不良分析的幾個步驟)中:
想請教您:第七步,切片檢查IMC打EDX之作切片的目的有二: 有提到的如果斷裂面不在IMC層而在PCB端,那就比較偏PCB的問提了。
我的問題是:近期發現2012年生產的PCBA,PCB 是OSP的表面處理再經過 2 次回焊製程後,只經過1次回焊的Top side 的零件輕受外力推碰零件(鋁質電容/Connector…等等)就會脫落,Bottom side (過了2 次回焊製程)的零件要用較Top side 稍大的力量才能推落零件,零件脫落的現象是IMC層與 PCB pad 分離, PCB pad上的銅材顏色明顯為橘紅色(所以我會判斷斷裂面在PCB),EDX 成分分析的重量%結果Cu: 80.59%,C:17.31% , O:1.32% , Sn:0.78%;想了解能說明該問題與PCB 端還是回焊製程的關聯較大,望您指點迷津,謝謝~

Paul

Paul,
從你描述的現象應該是PCB表面有輕微氧化,建議照SEM看看IMC生長是否均勻。如果IMC不適全面生長,則氧化機會很大。
兩次回焊只是讓IMC長厚一點,所以強度可能會好一點點。
你的EDX打的應該是斷裂的PCB面,可能看不太出來什麼東西。打到Cu是正常的,打到太多的C或O需判斷是斷裂後的沾汙還是原本就留在上面的東西。比較建議打鈴外一面(零件面,有IMC那面比較能看出東西)

工作熊您好,
想確認一下您提到IMC不是”全面生長”的判定方式是否是:分散去取樣PCBA上零件脫落的不同位置,再以SEM確認IMC成像的各區域結果進行比較,如果各區域的IMC成長現象都是相似的,則表示不是局部輕微氧化所致,有可能是整片PCB 銅箔表面的問題,或是IMC層隨著時間增長的緣故,由Cu6Sn5變化為Cu3Sn 導致焊接面的結構強度變弱?
另外,再請教一下因為本案例失效模式都是PCB與焊料(SAC305)之間的IMC脫離,而不是發生在零件引腳與焊料的IMC脫離,是否也能理解為PCB銅箔的Cu元素分子加速了Cu3Sn生成;而有別於一般零件腳雖然也是以銅材為基礎,但是零件端子或引腳上有高比例或是純錫的表面鍍層處理再與後續的回焊製程錫膏結合,生成的IMC 會較少轉換為Cu3Sn,所以零件引腳與焊料IMC脫離的失效模式在此案例不易出現之?
懇請抽空解惑,感謝您~

Paul

Paul,
1. 建議你先看一下這段影片 https://youtu.be/hmIXmfMye00 應該會有進一步的了解。
2. Cu3Sn劣姓IMC沒有那麼容易形成的。除非一直放在高熱環境,或是長時間。拿切片去打IMD的EDX也可以知道是哪種成分的IMC。

Hi 工作熊您好
確認過IMC層是Cu3Sn的成分的了,雖然產品的使用不是在高溫環境,但是有常溫溫控(室溫)的環境使用產品不到6年的情況下就出現因Cu3Sn IMC 導致SMD零件脫落的產品可靠度問題,還真的不知能從何下手改善與預防!
再次感謝您幾回專業的建議,tks!
Paul

Paul,
感謝你的後續通知,經驗上5年左右確實可以看到IMC從Cu6Sn5轉為Cu3Sn,這也是為何一般我們不太建議OSP的原因之一,但有些研發只願意看眼前當下通過DQ測試。

Paul,
IMC劣化了,一般解決方法有
1. 機構補強設計。
2. 點Epoxy固定強化。
3. 新產品設計時先做還測後再做落下測試,可以Q掉一部分設計問題。

謝謝工作熊您的說明與建議~
Paul

Hi 工作熊你好:

很感謝你把這麼好的文章分享出來給大家,我本身是RD,最近我的案子發生固定位置零件掉落的現象,我們和工廠討論,但都沒有一些結綸,我有先拜讀你的網站,了解IMC的重要性,也有想要去分析,但針對這些資訊,我無法有效的判讀,所以想請你給我一些建議,我先解釋發生原由,是客戶收到貨後發現內部有異音,所以打開機構發現有一顆CHOKE掉落,而後由我們清查放置在常溫下的PCBA發現也有一些板子有同一顆CHOKE掉落的問題比率為9/42,我們有做了一些實驗,由工廠判斷,掉落的斷面是在零件面,但我看CHOKE接腳上有鍚的存在,我們有做切面,也有打EDX ,由工廠提供的切面報告在PCB PAD上是完整,但在掉下來的零件上有一些不完整,但工廠的回覆是在PAD的焊接面也有發現IMC,所以零件應該也是完整的,EDX的結果是PCB CU/13.51 SN/52.34 NI/12.86 C/11.96 O/3.84 PT/5.49 在零件端:CU/1.68 SN/44.14% NI/17.71 C/23.28 O/4.35 PT/8.84, PCB端的IMC 厚度1u~3u
零件端的沒有量,因為已經不完整,我們用的鍚型號是千住S70G-HF (成份Ag3.0-Cu0.5-Sn), 零件廠商提供他們鍍層是鎳和鍚, 我們的PCB是OSP,板厚是1.6mm , 我想請問的是依你的專業看完我的說明你認為有可能掉落的原因是什麼?還是我們有什麼實驗可以做去證明掉下來的原因呢?謝謝你

Ken,
一般來說IMC有兩層,一層出現在PCB與錫膏之間,另一層出現在錫膏與零件之間。
如果已確定斷裂面出現在零件端的IMC,可能原因為外力(撞擊或是板彎應力),或是零件焊點氧化造成焊接不良(IMC生長不佳)。
IMC本身生長就是會有厚度高高低低,IMC厚度生長是否均勻,要看IMC有無斷開處,IMC就像是黏接磚塊的水泥,IMC如有不連續則強度會變弱。
板子上如果有其他的Choke零件,建議可以同時切片其他沒有問題的零件,比較其IMC的生長情形以資比對。

Hi 工作熊 :

我想再補充說明幾點

1.斷列的點在零件焊接點的IMC層,是不是因為IMC層太薄或有不連續的情況造成?
2.PCB的IMC厚度從0.8UM到3.12UM都有,這樣算有均勻嗎?

看一下IMC的影片說明,如果已經看過就跳過囉!
https://youtu.be/hmIXmfMye00

Hi 工作熊你好:

很感謝你的建議,我們會先暫時排除外力的問題,主要原因是零件有掉下來的板子,是放在先保護套內再放在箱子內,然後放在實驗室等待出貨用,所以我們之前是先從IMC的生長不佳的方向調查,和我們的工廠討論後,工廠認為是零件氧化,但同時他們也認為從切片看來,IMC生長也很全面正常,但我的認知是如果零件有氧化,應該無法和鍚有化學反應,IMC層應該會有不連續的情況才對,所以我們決定再把之前同一批DATE CODE的板子針對同一個零件再做一次切片,我也會再建議工廠把另外的零件也做切片分析,再一次感謝你的回覆.


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