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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。
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) 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
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* 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。
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. |$ 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。
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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。
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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。
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- ` 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
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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。
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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。 |
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