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案例详解!焊点热疲劳失效分析

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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

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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。0 F7 o( P4 N6 E! P2 t8 G

$ k2 L1 U' C: O. X$ z6 h6 h1+ k! v% ], I1 K' N6 F
案例背景2 o! a% V/ ?0 ?1 L4 I, j
      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。$ k. r/ K4 W" P: v0 l! ~8 O# J5 c
4 N% W! i  y7 p' t
2
0 g* R; e1 z5 j" z& i* O# s  M$ f分析方法简述) R9 }6 H2 ?& u& ?3 h9 U
2.1 外观检查  G2 f" I: t, p/ 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。1 C% e$ _1 z/ [% V" C
2.2 表面SEM+EDS分析
3 i. O, E; o# |      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。7 o2 W7 m. n5 c

' L+ p- o1 N% q  B. M+ t2.3 切片分析
5 [1 R' ~# b: r      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。. O/ A/ q+ N! E3 ]" A7 l
) e) j5 |5 p0 X6 F, f. ]6 [
2.4 EBSD分析
' D, \6 H( ?# ]2 c, R. n6 @6 Q: F      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。7 n! m2 i" h! \% K2 {6 k, R

$ r' E' `7 ?' ?: t' b2.5 应力分析
5 N7 q" n# h0 F3 i6 k      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。
% q$ R; ]6 X+ S% t; s, u2 z$ j# ?- i
2.6 热膨胀系数测试% p+ x( P3 m3 _; C( k9 i/ v& t
      测试条件:在N2环境中,以5℃/min的速率从-70℃升温到160℃。% ^1 O$ _% R9 }6 i7 Y6 n4 C- |
      测试结果:温度区间为23℃~123℃,CTE测试结果为181.7 ppm/℃。
( {' e: ?0 Y3 ^/ B) P" x      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。+ n+ {4 j  j3 t: T3 k: Z
" r( j- E1 Z' L, T# g& T
32 R# f* u5 v" ]; J& R) Z
分析与讨论
: ]3 k  S* v% w* M& c      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。
6 `4 H' ?* d" B' }" h$ e' u# @      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]。
1 a) H5 @  Q* g      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]。
1 v3 {1 F' W" O( u$ U4 h( y1 _      以上种种原因共同作用导致焊点疲劳开裂。
& v0 I5 Y/ W. W1 D; P' l7 W( O( _1 a5 @( E3 q9 d# W- J8 g
4 0 C+ y! u% b! |" F0 \5 I2 h4 s0 R# N
结论3 B- y% g- k" S6 ?; ?& P
      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。
" z7 _# a& Y6 C. o! r  t
& b1 w; B: {1 J! M5 % U- Y* J: F7 R' e& G% c/ A. G
建议
' O+ p7 |* n+ ?" O(1)重新选择封装胶体类型,降低胶体所带来的内应力;
0 ]+ d7 ~" p. T0 M9 `& B(2)加强散热设计,降低电源使用过程中的温度;5 y4 A3 E4 V4 Z% x9 ?+ m, w
(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
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    [LV.1]初来乍到

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    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。

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    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。

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    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。
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