电涌保护器弹片焊点开裂失效分析

一、案例背景

电涌保护器主要用于低压配电系统、过电压钳位和浪涌电流泄放。其工作模式为大电流冲击时，弹片焊点位置温度升高软化，发生开路，起到保护作用。

本次分享的案例，失效发生在产品客户端波峰焊后，产品内部焊点剥离，产品持续性发生不良，个别批次不良率较高。

 

二、分析过程

1.外观分析

对#1~3失效品及#1~3正常品进行外观分析。

其中，正常品分为温循1000H样品1、温循1000H样品2、高温85°24H 样品。

失效品外观图示：

 

 

 

正常品外观图示：

 

 

测试结果：

失效品弹片焊锡处断开，弹片呈弹开状态，外观未见受损及应力痕迹；

正常品弹片焊锡良好，弹片未见弹开及边缘起翘分离。

 

2.X-RAY检测

失效品外观图示：

 

 

正常品外观图示：

 

 

测试结果：

失效品焊点开裂，弹片呈弹开状态；

正常品焊锡处存在少量空洞，弹片本体及焊点未见明显异常。

 

3.保持力分析

 

测试结果：失效品2弹片接触弹片时回弹力为2.8N，按压到底时弹片回弹力为4.5N。

 

4.拉力测试

#正常品（温循2）测试数据：

 

#焊点拉力测试后焊点状态：

 

 

测试结果：温循样品2经过拉力测试，焊点在受到98.202N的力后，焊点断裂，弹片弹开。

 

5.失效品SEM/EDS分析

1）失效品1表面SEM分析

左侧为焊盘侧SEM图示，右侧为弹片侧SEM图示。

 

 

 

 

测试结果：失效样品1断口均存在疲劳辉纹与解理台阶形貌，整体呈现疲劳断裂特征。

 

2）失效品1表面EDS分析

 

 

 

 

 

测试结果：失效品1断开位置为弹片侧合金层与焊料间，未见异常元素。

 

3）失效品1断面SEM分析

 

测试结果：断面存在不规则、锯齿状结构裂纹，符合老化疲劳断裂。

 

4）失效品1断面EDS分析

 

测试结果：断面开裂位置为焊料间断裂、焊料间与弹片侧合金层断裂，断面元素未见异常。

 

6.正常品SEM/EDS分析

1）正常品（温循1）断面SEM分析

 

 

2）正常品（温循1）断面EDS分析

 

测试结果：

断面焊锡良好，未见异常,弹片侧合金层形貌连续、紧密厚度为2.15-3.14μm，焊盘侧合金层形貌连续、紧密厚度为2.24-2.52μm；

断面成分分析未见异常元素。

 

3）正常品（高温85°24H ）表面SEM分析

样品经过100-150° 各6H的高温后，弹片在温度点150°时弹开。下记对高温测试后的样品继续进行表面的SEM和EDS分析。

#整体图示：

#局部图示：

 

测试结果：高温试验后断面整体呈热熔后平整，存在疲劳条带，符合热疲劳断裂。

 

4）正常品（高温85°24H ）表面EDS分析

 

测试结果：断开位置为焊料与弹片合金层间，断口位置未见异常元素。

 

7.针对弹簧单品进行分析

1）对弹簧单品进行镀层厚度测试，镀层元素选择Sn/Cu，下记为测试数据，镀层结果未见异常。

2）弹簧单品断面SEM分析

 

 

 

测试结果：弹片镀层位置存在合金化，且镀层厚度不均匀，镀层Sn粒子间不紧密，存在空隙。

 

三、分析结果

1.不良解析

失效品	失效品经过SEM及EDS分析，发现失效焊点呈现整体开裂的状态，开裂起始点均位于焊点与弹簧隔离片接触端。
正常品	1.弹片弹开温度约为150℃；2.弹片垂直拉力测试表明，焊点在受到 98.202N 的力后断裂；3.弹片侧及焊点侧合金层形貌连续、紧密，整体无异常。
弹簧单品	弹片单品镀层位置存在合金化，且镀层厚度不均匀，存在空隙。

 

2.失效原因

综合上记分析结果，判断引起焊点开裂的原因为：

1）弹片焊点受到弹簧持续的横向剪切力，引起疲劳开裂；

 

2）采用雾锡工艺，镀层不均匀，结合不紧密，焊点强度存在缺陷。

 

四、改善建议

1）器件应力结构优化；

 

2）弹片镀层工艺优化，建议镀层由雾锡工艺转变为亮锡工艺；

 

3）选用焊点强度高的低温锡膏。