车载电池FPC连接片虚焊失效分析
一、案例背景
某车载电池充电异常，经初步分析是内部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：
二、分析过程
#X-Ray检测#
#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：
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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。
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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。
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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。
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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
注：图谱中的Au为电镜分析喷涂的导电物。
#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：
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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。
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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。
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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。
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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。
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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#
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部分FPC pad相对平面有50μm-60μm的段差，即下沉，部分无段差。
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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。
三、分析结果
1、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。
a. 虚焊点的典型特征
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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。
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虚焊面在Sn与IMC层之间。
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失效焊点空间均呈热膨胀状态。
b. FPC结构及工艺的缺陷
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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。
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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。
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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。
c. 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。
四、改善方案
1、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。
2、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。
建议措施：建议钢网厚度由0.08mm变更为0.11mm；现状钢网开口的排气通道设计不足：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；
4、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。
5、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；
6、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。
