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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。) U' d; R( u* g& m1 V' b
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3 Y; S0 j; w" v0 I3 \9 [1 o4 ]0 \案例背景& P) ^ r; f* T/ L
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。
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1 `% s4 F) \- B& y7 T分析方法简述 B& [ h! S8 R+ ]3 A
2.1 外观检查' e1 k4 \+ }- L; W9 G3 A: R
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。* w/ p6 D9 `: O# ?1 b8 {
2.2 表面SEM+EDS分析" p; M, b3 [& e* O2 W u
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。$ e8 e( t$ Y3 X% C
; t. g$ v% K9 N* ^' }5 R" b2.3 切片分析+ {% w4 v& t+ j4 D2 a
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。, n! O3 D9 |) ?& Q5 B& S
& s& K6 _; f7 X2.4 EBSD分析
- `% ?4 E, W! q% d# T& g 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。
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3 u% ], l- ?$ q, {1 M) g2.5 应力分析
' x! { P, w: B 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。
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2.6 热膨胀系数测试
6 V7 ?& e1 |+ ~* Z. r3 z2 R% H 测试条件:在N2环境中,以5℃/min的速率从-70℃升温到160℃。* L+ L' F6 n& m5 R- O
测试结果:温度区间为23℃~123℃,CTE测试结果为181.7 ppm/℃。) l/ @; E: K3 f& e% c& @0 e8 O
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。
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9 D, j* l3 M0 O/ f+ S 分析与讨论/ Z' u( e+ c6 t6 t: E5 e
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。
7 v1 M0 i# A7 z! m s 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]。5 S& p/ Q8 f; B5 r: ~2 `" l8 g; N
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]。
0 x; f/ d( W, E% b 以上种种原因共同作用导致焊点疲劳开裂。
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结论( h: d9 T6 y4 ?) o( c7 b4 I
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 S4 @4 w$ [( I' N9 l
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建议
8 v! U% h( H2 }3 V(1)重新选择封装胶体类型,降低胶体所带来的内应力;
) b4 ~' |5 n% @# [9 K* r: a3 c(2)加强散热设计,降低电源使用过程中的温度;. m( W6 X. b/ ]' E3 @4 K
(3)优化焊接工艺,尽量减少焊接缺陷及应力集中。 |
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