【技术帖】发动机用PCB的失效分析研究

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摘 要：PCB广泛用于集成电路生产业的各个方面，汽车发动机用PCB要求较高的可靠性。面对热循环失效的汽车动力系统的构件，不要急于取下所有元件，应先对失效点表面进行外观检查和EDX分析，再进行带元件的切片分析和SEM分析，确认各个点的IMC是否正常，以找出真正的失效原因。

关键词：汽车发动机用电路板；失效分析；EDX分析；切片；SEM分析；介面合金共化物
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, F& e6 w; Q. i6 }　　PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，已成为电子信息产品最为重要的部分，其质量好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。
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　　汽车用PCB方面，由于汽车的特殊工作环境、安全性和大电流等要求特点，因此对PCB的性能要求很高，汽车用PCB特别强调高可靠性和低DPPM（极低的产品不良率）。本文针对汽车用PCB的失效分析做了研究。
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  V3 `3 m. i3 D1 PCB的失效分析



' ?3 M, Q7 J$ I. f$ h　　PCB在生产和应用过程中存在大量的失效问题，其中有的与材料本身的热性能或稳定性有关，有的与PCB生产的异常有关，有的与焊接在PCB上的元件失效有关，并因此引发了许多的质量纠纷。为了弄清楚失效的原因，以便找到解决办法，且分清责任，必须对所发生的失效案例进行失效分析。


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　　而应用于汽车动力系统的电路板，是电控系统的核心构件，由于动力控制系统靠近或贴近发动机，其所有构件都会承受高温，而汽车动力系统也必须适应严寒气候，其所有构件应能承受低温。为此，汽车动力系统的电路板需承受苛刻的正负温循环测试。对在正负温循环测试失效的PCB，更需要进行详细的失效分析。本文引用一个实例来做说明。
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　　1.1 失效点



% l$ X; X. o: h% z7 X9 b　　此失效构件为汽车动力系统的一部分，PCB完成组装后，整个构件送入实验箱进行热循环测试，热循环测试条件是-40 ℃ / +125 ℃。失效发生在热循环测试中，在100个循环后，经电测试，发现失效区域的阻值过大。失效区域如图1所示。

+ ~2 _; l1 ~- g# p! @4 t( G　　1.2 外观分析
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) f" c4 Z! `9 A2 L3 A1 j& Z　　从外观检查得知，电镀通孔和接插元件是焊接的。图1中左图是热循环后的失效点外观，焊接处有裂纹；图1中右图是该失效点在补焊后的外观，焊料收缩，孔环有铜面露出。这说明该失效点在装配中发生了虚焊。
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　　1.3 EDX分析失效点表面
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$ K- {! K" N' D　　先用EDX（Energy Dispersive X-ray Apparatus，能谱联合分析仪）分析电镀通孔的孔环是否有污染。电镀通孔的孔环表面主要为铜，沾有少量锡铅焊料，碳和氧系空气影响。电镀通孔的孔环表面无污染。
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* j6 ^- H% }* K5 [8 ]0 B& ^　　1.4 切片和SEM分析

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　　虚焊到底是该PCB的电镀通孔有问题引起的？还是接插元件有问题引起的？接下来，需对该失效点进行切片和SEM（Scanning Electron Microscopy，扫描电子显微镜）分析。


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　　焊接动作之所以能够焊牢，最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC（Intermetallic Compound，介面合金共化物），广义上是指某些金属相互紧密接触之介面间，会产生一种原子迁移互动的行为，组成一层类似合金的“化合物”；狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。


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　　该PCB的表面处理是OSP，该失效点为电镀铜通孔，接插元件的材质也是铜。所以可以通过SEM分析来观察铜锡之间的共化物IMC是否正常。
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　　电镀铜通孔孔口处的铜锡之间的共化物IMC形态正常。图3为电镀铜通孔孔壁处的铜锡之间的共化物IMC形态正常。图4为接插元件引脚上的铜锡之间的共化物，IMC厚2.589 μm，但附近焊料有空洞，一些空洞渗入IMC，IMC的形态不正常。
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2 结论
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　　由以上分析可知：先进行外观检查，该失效点在装配中发生了虚焊；然后用EDX分析电镀通孔的孔环表面，电镀通孔的孔环无污染；最后进行破坏性分析——切片，经SEM对切片断面共化物IMC的确认，焊接失效是发生在接插元件引脚上，而非PCB上。


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5 C- e$ B/ P) y3 n' N  z& m　　面对热循环失效的汽车动力系统的构件，不要急于取下所有元件或做破坏性分析，应先对失效点表面进行外观检查和EDX分析，再进行带元件的切片和SEM分析，确认各个点的IMC是否正常，以找出真正的失效原因。

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PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，已成为电子信息产品最为重要的部分，其质量好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。

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焊接动作之所以能够焊牢，最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC（Intermetallic Compound，介面合金共化物），广义上是指某些金属相互紧密接触之介面间，会产生一种原子迁移互动的行为，组成一层类似合金的“化合物”；狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。

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freedom1 发表于 2021-6-11 14:19
2 r+ s7 L6 m! G5 _) ]6 U焊接动作之所以能够焊牢，最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC（Intermetallic Compound，介面 ...

是的，焊接动作之所以能够焊牢，最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC。