找回密码
 注册
关于网站域名变更的通知
查看: 497|回复: 3
打印 上一主题 下一主题

案例详解!焊点热疲劳失效分析

[复制链接]

该用户从未签到

跳转到指定楼层
1#
发表于 2021-6-3 13:25 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

EDA365欢迎您登录!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册

x
摘要:某PCBA样品在使用约半年后出现功能失效,该PCBA在封装后进行整体灌胶,将失效样品剥离,发现部分器件直接脱落,通过表面观察、切片分析、EBSD分析、应力分析、热膨胀系数测试等手段对样品进行分析,结果表明:各封装材料存在热失配,焊点缺陷较多且存在应力集中区,加速焊点的疲劳失效进程,导致PCBA功能失效。
5 S9 a+ J+ ?! \) t$ T$ i' m# }2 l% o  Y' }3 `0 ^
1
) v$ M% s: r2 U5 q5 a( q1 K案例背景' Q1 V; a) u: u7 M
      失效样品为封装后整体灌胶的PCBA,该PCBA在使用约半年后出现功能失效,将失效样品的胶剥离后,发现部分二极管直接脱落,脱落二极管的引脚材料为A42(铁镍合金),引脚表面镀铜镀纯锡,PCB焊盘为OSP焊盘。. t7 o4 X! @0 g
9 F1 |7 F& ?$ J( g/ h4 l: D
2
* v3 N& f4 ?! T6 z' I- E+ t' d! w  F分析方法简述
+ S: k$ C, H3 ]) J% r. Q2.1 外观检查
$ N1 O( i9 V- j5 W- u      将样品进行剥胶处理后,发现确实存在器件脱落现象,脱落器件均为二极管器件,且主要集中在三个区域位置,脱落后焊盘端和二极管引脚端未发现明显的异常污染现象,正常焊点成型良好。, F, h" f- _/ j/ f7 x" ]
2.2 表面SEM+EDS分析
  p. ?* |0 P' q, S4 T4 }. [( g      通过对NG样品PCB焊盘、NG样品器件引脚,以及OK样品相应位置进行分析,发现失效样品断口主要呈现脆性断裂,OK样品断口呈现塑性断裂,对于焊锡材料自身性能来讲出现塑性断裂才是其正常表现形式,此外,失效样品裂缝沿焊点内部扩展,而不是常见的焊点界面。5 `0 _1 ^0 Z3 Z" w+ ]! J

; {' W2 K+ `! J' v2.3 切片分析
* n+ `! ?) N6 n" B/ o% e( _      通过对失效焊点和正常焊点进行切片分析,发现器件脱落的断裂位置位于器件引脚IMC层下方焊料中,且部分NG焊点中焊料存在裂纹。从NG焊点剖面开裂,及表面分析结果可以初步断定此次失效属于典型的焊点疲劳开裂。
/ s8 j1 z0 N$ l( z. ?! O* E: T
. |$ N! ]& J  B) I9 T- o! ?2.4 EBSD分析3 k" [; C9 E: g) Z/ {  t
      通过对失效焊点进行EBSD(电子背散射衍射)分析,发现NG焊点中焊料的晶粒尺寸较为粗大,焊料中的断裂形式为沿晶断裂。
5 x4 G. L0 e1 o0 V0 |
5 J9 ]* B) I2 x  f) l2.5 应力分析
0 a' h) b4 i7 q, i. q7 i      器S件引脚与焊点界面处应力应变较大,说明此处是失效多发区域,这也解释了为什么裂纹沿器件引脚近界面处开裂的原因。
* b( Q% w& Y+ u4 `* h& R) q- I! Y1 u5 p" ^$ y' t1 M5 C3 p: B
2.6 热膨胀系数测试: g/ c$ }; S+ n& q$ Q
      测试条件:在N2环境中,以5℃/min的速率从-70℃升温到160℃。& w7 K1 f/ o  l9 B  x3 A% {4 [" G  F
      测试结果:温度区间为23℃~123℃,CTE测试结果为181.7 ppm/℃。
4 Q6 t) m  Z# P      测试结果表明,此封装胶体的热膨胀系数较大,胶体较硬,且此PCBA用于电源产品,使用过程中必然经受较高的温度,在不断的高低温循环条件下,焊点极易产生疲劳开裂。此外,二极管本身也存在功耗,焊点服役环境相比其他器件焊点会更加恶劣,所以二极管焊点失效概率必然较大。
" y  }8 n! I3 H5 b
" k! |% |' f* y0 \! F  u3
- `  w: V$ H8 N  `, I$ l0 O5 _ 分析与讨论- ?. u1 P6 Q3 |! x$ j
      从焊点开裂表面形貌分析可知,焊点开裂属于脆性断裂;切片分析可知,裂纹沿器件引脚近界面处萌生和开裂,EBSD(电子背散射衍射)测试结果表明,裂纹属于沿晶开裂,且组织较为粗大。
: k  {+ r8 `8 C; I      以上特征表明,二极管焊点开裂属于典型的疲劳开裂,其机理是蠕变与疲劳损伤复合累积的结果[1],宏观上表现为热疲劳损伤导致在焊料与基板过渡区(即高应力区)产生初始裂纹,然后逐渐沿近界面扩展至整个焊点长度;微观上表现为热疲劳断口表面有微空洞和蠕变沿晶界断裂的痕迹[2-3]。& R) f  ^# x0 i- x
      力学分析表明,器件引脚附近的应力应变较大,与实际失效位置完全一致,验证了焊点疲劳开裂的正确性。热膨胀系数测试结果表明,PCBA外围的封装胶体CTE高达181.7 ppm/℃,而电源产品在使用过程中必然产生高温(二极管本身存在一定功耗,会加剧温升),间歇性使用所带来的温度循环会导致焊点低周疲劳,封装胶与器件、PCB间的热失配会进一步加剧疲劳进程。同时,焊点本身存在较多缺陷,抗疲劳能力下降[4-5]。
& p+ j3 S( O% ?1 a$ O' e- g      以上种种原因共同作用导致焊点疲劳开裂。! t( q) n4 C" I* X6 L

8 L" L( Q* h$ m  c) \; t4 ' t, Y' x+ [$ N2 s2 F  x# J
结论  u1 m6 e) G7 D- h/ A) n4 A" z
      二极管焊点开裂属于焊点疲劳失效,导致其失效的原因为:①焊点缺陷较多且存在应力集中区,加速焊点的疲劳失效进程。②材料间的热失配。
8 X9 G% X8 R: m! z/ I: T4 I0 C6 U& s$ V0 ^3 b; g( P5 u
5 7 q" P' E0 P. y8 l/ r( d
建议
. I2 w; @5 U, N7 X+ U(1)重新选择封装胶体类型,降低胶体所带来的内应力;' E7 {2 D6 ?9 q3 J: m
(2)加强散热设计,降低电源使用过程中的温度;# W# ^0 S% x; j5 S' R
(3)优化焊接工艺,尽量减少焊接缺陷及应力集中。
  • TA的每日心情
    开心
    2019-11-21 15:51
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    2#
    发表于 2021-6-3 14:05 | 只看该作者
    失效样品为封装后整体灌胶的PCBA,该PCBA在使用约半年后出现功能失效,将失效样品的胶剥离后,发现部分二极管直接脱落,脱落二极管的引脚材料为A42(铁镍合金),引脚表面镀铜镀纯锡,PCB焊盘为OSP焊盘。

    该用户从未签到

    3#
    发表于 2021-6-3 14:24 | 只看该作者
    通过对失效焊点和正常焊点进行切片分析,发现器件脱落的断裂位置位于器件引脚IMC层下方焊料中,且部分NG焊点中焊料存在裂纹。从NG焊点剖面开裂,及表面分析结果可以初步断定此次失效属于典型的焊点疲劳开裂。

    该用户从未签到

    4#
    发表于 2021-6-3 14:25 | 只看该作者
    器S件引脚与焊点界面处应力应变较大,说明此处是失效多发区域,这也解释了为什么裂纹沿器件引脚近界面处开裂的原因。
    您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

    本版积分规则

    关闭

    推荐内容上一条 /1 下一条

    EDA365公众号

    关于我们|手机版|EDA365电子论坛网 ( 粤ICP备18020198号-1 )

    GMT+8, 2025-6-15 08:58 , Processed in 0.093750 second(s), 23 queries , Gzip On.

    深圳市墨知创新科技有限公司

    地址:深圳市南山区科技生态园2栋A座805 电话:19926409050

    快速回复 返回顶部 返回列表