SEMEDX和FTIR在手机电触点失效分析方面的应用

2010年5月第5卷　第2期失效分析与预防M ay,2010Vol .5,No .2[收稿日期]2010年2月18日 [修订日期]2010年4月12日[作者简介]刘平(1976年-),男,博士,高级工程师,主要从事电子材料及元器件失效分析方面的研究。

SE M /E D X 和FT IR 在手机电触点失效分析方面的应用刘　平1,2,刘建勇1,姚　琲2(1.摩托罗拉材料失效分析实验室,天津300457;2.天津大学材料学院,天津300072)[摘　要]总结了SE M /EDX 和FTI R 在手机电触点失效分析中的几个典型案例,发现大量失效产品中的镀金触点因表面污染和氧化引起的接触电阻升高是造成电接触故障的主要原因。

污染物形貌和成分复杂,通过与手机生产和使用中常见污染源的红外图谱和EDX 图谱进行对比,SE M /EDX 和FTI R 能鉴别出大多数污染物,比如印刷线路板在切板过程中引起的碎屑、手指接触污染、灰尘聚集污染以及工艺带入的粘胶污染等,促进了工艺的改进和生产效率的提高。

[关键词]SE M /EDX;FTI R;电触点;污染物;失效分析[中图分类号]T N929.53;T M501.3 [文献标志码]A do i:10.3969/j .issn .167326214.2010.02.013[文章编号]167326214(2010)022*******Appli ca ti on of SE M /ED X and FT I R to Fa ilure Ana lysisof Electr i ca l Con t acts of M ob ile PhonesL I U Ping 1,2,L I U J ian 2yong 1,Y AO Bei2(1.M FAL,M otorola (China )Electronics L td .,Tianjin 300457,China;2.College of M aterial Science &Engineering,T ianjin U niversity,Tianjin 300072,China )Abstract:Some typ ical cases on electrical contact failure analysis by SE M /E DX and FTI R were su mmarized .It is found that the main failure cause of the electrical contacts is the rise of electric resistance caused by surface conta m inati on and oxidati on .Gen 2erally,the conta m inants have comp lex appearance and compositi on .U sing SE M /E DX and FTI R,most of the conta m inants intr o 2duced in the course of p r oducti on and service can be identified,such as scrap s,man 2made conta m inants,dusts,and viscose conta m inants .Key words:SE M /E DX;FTI R;electrical contact;conta m inant;failure analysis0　引言电子产品和通信设备与人们的关系越来越密切,这类产品的使用也越来越频繁,这就要求除了在性能上使电子产品和通信设备满足设计要求外,还必须对设备本身的可靠性和安全性进行相应的考虑。

众所周知,电子产品中电触点的可靠性会极大地影响整个系统的稳定性[122],由于电子产品日趋小型化,其电子元件的体积逐渐减小且安装密集,电触点尺寸也随之相应减小,触点之间的弹性力设计不得不降低,导致电接触不可靠,尤其是在弱电流、环境污染较严重条件下的触点。

为此,采用电触点表面镀金中间层镀镍的方法,以改善表面电性能,增强抗磨损和耐腐蚀能力,提高电接触可靠性,减少污染及腐蚀生成物对电传导的影响,但是如果镀金表面存在缺陷或环境污染物,仍然会威胁这些触点的电连接可靠性[324]。

近年来,大量便携式电子产品涌入市场,如手机、MD 、MP3等,这些产品经常有质量投诉,尤其是手机,其组装程度的复杂性使电触点越来越多,比如Pogo p in 、Contact B l ock 、Sp ring contact 、Golden pad /Dome 、Connect or 等。

用户反映手机质量及可靠性差,使用中信号时好时坏,性能不稳定,经初步调查,发现造成手机故障的大部分原因是其内部的电接触失效。

不同电子产品的结构、电触点的结构、电触点在整机中的位置、环境污染情况、用户使用方式等因素各不相同,造成电触点故障第2期刘　平,刘建勇,姚　琲:SE M/E DX和FTI R在手机电触点失效分析方面的应用原因复杂、不易确定。

扫描电子显微镜(SE M)适合材料表面微观形貌观察,配备的附件X射线能谱仪(EDX)可快速检测未知物的元素组成,它们对分析的样品量和尺寸没有限制,由于放大倍数可达几千甚至上万倍,微米级别的线和丝都能分析,适用于检测无机物的元素组成。

傅立叶红外光谱(FTI R)是一种分析有机物的仪器,通过解谱,可鉴定有机混合物,但是由于FTI R的尺寸分辨率限制,所分析的样品以大于0.2mm×0.2mm尺寸为宜。

结合SE M/E DX和FTI R的特点,分析从失效手机中筛选出可能失效的连接器触点,判断和分析其失效原因。

对电触点表面污染物形貌、成分和磨损情况进行分析和评估,并对常见的污染源进行收集对比,推断失效的根本原因,可为杜绝在生产中类似问题的发生,防止潜在的失效,及今后对此类问题的分析提供借鉴。

1　电触点失效实例因所分析的失效样品的原始信息不能改变,所以要求样品不被碰触、刮擦和清洗触点表面,以获得充足的失效信息。

1.1　连接器污染物分析生产过程中某型号手机显示异常,拆开子母连接器发现,在PCB一侧的连接器触点上有异物存在,异物呈片状,光学显微镜下为灰色(图1)。

取下此物质后,手机功能恢复正常。

说明此污染物为外来物质,致使接触电阻变大,影响显示功能,可以通过切断其来源以杜绝这类问题的发生。

使用扫描电子显微镜对其进行放大观察并利用X射线能谱仪(E DX)分析污染物成分。

图2为触点上异物放大的形貌,整个材料基体为蜂窝状,中间夹杂排列整齐的细小纤维。

根据经验判断,异物可能是PCB板的碎屑;元素成分分析表明污染物包含C、O、A l、Si、Ca等元素,为绝缘有机物,从PCB板边人为取下一些PCB碎屑,污染物在形貌(图3)和成分(图4)上与其非常吻合。

分析手机的制造工艺,在前线PCB切板的过程中,带来污染物的可能性最大。

通过改进切板工艺并在切板后对PCB板进行清洁处理,可降低此类问题的发生,提高生产效率。

1.2　键盘金触点(Golden Pad)接触失效手机内部结构中的金触点失效形式复杂,常见的有异物、表面氧化、腐蚀、镀金表面缺陷等。

通常所引起的手机故障为功能时有时无、断断续续。

键盘功能失效的样品在打开Dome和Golden Pad以后发现,两边的接触表面有绿色异物存在(图5),在SE M放大照片下形貌为分散的絮状,分布比较均匀(图6)。

异物和干净区域的能谱分511失效分析与预防第5卷图4　污染物的成分分析图谱Fig.4　EDX analysis result of the conta m inants析结果分别见图7、图8,异物含有大量的O、Cl、N i、Cu元素,说明Au层底下中间镀层N i和基体材料Cu发生了腐蚀,最终在表面形成了腐蚀产物堆积在接触面,造成了失效。

根据Cl元素可推测其原因可能有2个:一是接触表面有人为的污染如手指接触、汗渍等;二是镀金表面有缺陷如孔隙,含Cl-的电解液通过孔隙浸入底部镀层和基体,造成电化学腐蚀,N i和Cu的腐蚀产物从微孔中溢出覆盖表面。

绿色异物为腐蚀产物氧化铜或氯化铜。

这些绝缘物质导致接触电阻的升高,从而大大降低了电接触可靠性。

图5　接触区域的异物Fig.5　Foreign matters at the contact regi on1.3　弹簧片触点(Pogo P i n)的失效客户现场反馈手机振铃在振动过程中突然停止,挤压机壳后大多又能恢复正常工作;或者振铃在振动过程中出现时断时续现象。

针对故障现象发生的不确定性和具有一定的可自愈性,可排除电路发生故障的可能性,因为电路故障一旦发生,便是确定且不可自恢复的。

初步检测结果表明线圈与簧片的焊接处接触良好。

因此,推断导致故障发生的原因可能是簧片与PCB接触不良。

拆开Pogo Pin发现其表面有异物(图9)。

异物的E DX能谱分析见图10,可见污染物元素成分为C、O、A l、Si、Ca、Mg等,其中A l、Si、O是组成地壳的主要元素,Mg、K、Ca、O可以形成多种无机化合物,它们是尘土颗粒的主要元素[526]。

C元素可能来自有机化合物、无机化合物或空气中漂浮的炭黑。

N i和Cu是触点的中间镀层和基底材料,可能在手机使用过程中被磨损下来堆积在接触区周边。

这些绝缘物质大大降低了电接触的可611第2期刘　平,刘建勇,姚　琲:SE M/E DX和FTI R在手机电触点失效分析方面的应用靠性。

镀金触点表面污染物形成和聚集的原因可能是:手机使用过程中,机壳内外温差引起空气对流,空气中直径较小的尘土颗粒从一些孔隙中进入机壳内部。

触点之间由于机械振动、热胀冷缩等原因产生相对微小运动,磨损碎屑混合进入机壳内部的尘土形成了大量的污染物,分布在接触区及其周边。

触点表面的污染物即使覆盖面积很大,但如果很薄,仍然可以通过隧道效应导电,并不一定影响接触电阻。

但手机中触点表面污染物有一定的厚度,而且由于在触点表面发现的污染物大多为绝缘物,必然导致电阻升高、接触失效。

研究表明,空气中的尘土颗粒带电[7]。

使用过程中电连接器有电流通过,导致触点接触区的电场强度高于非接触区。

带电颗粒所受的静电力等于电场强度与颗粒所带电荷的乘积。

由于尘土颗粒有些带有正电,有些带有负电,受静电力为吸引力的尘土颗粒就会吸附在接触区表面,从而导致尘土颗粒在接触区的聚集,非接触区受静电力作用而被吸附的尘土颗粒较少。

因此,采取必要措施,有效防止外界污染物进入连接器内部,对提高连接器的可靠性也是十分重要的。