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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。
* n$ U; P+ u3 ?9 p3 t
" H+ Z# e8 J5 g- k0 @1
/ V; @/ C' ]. k3 B6 F0 A; k案例背景
+ s, ?5 e5 }2 o% _# |  H, T: C9 b      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。
/ G( a% @: z. V( t1 t$ b: }2 r0 Z' k
1 O. V. m! a: n0 X# G2
# V% b$ T( J5 q* e分析方法简述
: e, D+ {& O: ?" W1 }0 {/ V2.1 外观检查
$ V7 Q$ O5 z$ c1 H4 \& e! G! j      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。- }2 e- g8 }5 i6 W4 @
2.2 表面SEM+EDS分析; F) i. G# X' Q5 y5 ?' A" F) I. D
      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 K" N& }0 ?+ G1 p" S) \
2 a  `4 O3 R2 ?: C8 N2.3 切片分析
) O& f4 @; p- p; o      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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2.4 EBSD分析" f3 c" n& ~) D8 X4 H
      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。
+ `$ f2 z9 i6 ~0 F4 H9 \3 C$ f% Z* H9 l) x8 z- Z% K1 j% q
2.5 应力分析
2 Y0 h: h/ R$ p8 C. r9 I- E      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。
0 p# P9 `" J# u" H: Y% b5 }2 I$ B2 B( b: O! k* }# O" @
2.6 热膨胀系数测试. }1 L# h3 g. f
      测试条件:在N2环境中,以5℃/min的速率从-70℃升温到160℃。
& f- g- C2 K* n- I      测试结果:温度区间为23℃~123℃,CTE测试结果为181.7 ppm/℃。: P- L! l6 Y0 _# {' X1 Y
      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。  U4 p; Q7 h- i. u

/ L' S! b, d6 Y+ N4 R. `3
! ]. n/ ^4 k8 b! V+ P0 ?6 f 分析与讨论( {& b4 n; I' ~* Q
      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。0 l- K  ^+ W4 _* r
      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 h0 \3 J: I# Z3 u5 O3 b4 Z      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]。: a) j0 Y5 u7 b# E/ O, n
      以上种种原因共同作用导致焊点疲劳开裂。
. o+ X: P: I* x/ k
5 [, Y/ ^! [% O* Y) A( E4 ) ^9 j* w. d9 z7 n
结论
( ^- w3 ~/ W( D7 T9 F      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。4 e8 `: Z5 {. c
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5 ( C! P! y6 Y. M
建议
$ d8 p3 l2 t+ a2 N* V: O3 n(1)重新选择封装胶体类型,降低胶体所带来的内应力;
/ |# u% p) A: N2 q5 ~  X(2)加强散热设计,降低电源使用过程中的温度;+ @; B/ l% c6 t) K+ B) n0 Z3 z
(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
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    [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。

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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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