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焊點熱疲勞失效分析

2017-04-07  瀏覽量:2683

王君兆,鄧勝良,馬聰

(深圳市美信檢測技術股份有限公司,深圳寶安,518108)

 

本文為美信檢測原創文章,未經允許,禁止私自轉載,尤其是不註明出處的非法刊登及相關商業用途。版權所有,違者必究!

 

摘要:某PCBA樣品在使用約半年後出現功能失效,該PCBA在封裝後進行整體灌膠,將失效樣品剝離,發現部分器件直接脫落,通過表面觀察、切片分析、EBSD分析、應力分析、熱膨脹系數測試等手段對樣品進行分析,結果表明:各封裝材料存在熱失配,焊點缺陷較多且存在應力集中區,加速焊點的疲勞失效進程,導致PCBA功能失效。

 

關鍵詞:EBSD;熱疲勞;應力集中;熱失配

 

五十路

失效樣品為封裝後整體灌膠的PCBA,該PCBA在使用約半年後出現功能失效,將失效樣品的膠剝離後,發現部分二極管直接脫落,脫落二極管的引腳材料為A42(鐵鎳合金),引腳表面鍍銅鍍純錫,PCB焊盤為OSP焊盤。

 

2 分析方法簡述

2.1 外觀檢查

將送檢樣品進行剝膠處理後,發現確實存在器件脫落現象,脫落器件均為二極管器件,且主要集中在三個區域位置,脫落後焊盤端和二極管引腳端未發現明顯的異常汙染現象,正常焊點成型良好。

 

失效分析失效分析
圖1 NG樣品外觀檢查圖片 a)焊盤端 b)器件端

 

2.2 表面SEM+EDS分析

通過對NG樣品PCB焊盤、NG樣品器件引腳,以及OK樣品相應位置進行分析,發現失效樣品斷口主要呈現脆性斷裂,OK樣品斷口呈現塑性斷裂,對於焊錫材料自身性能來講出現塑性斷裂才是其正常表現形式,此外,失效樣品裂縫沿焊點內部擴展,而不是常見的焊點界面。

 

失效分析

圖2 NG焊點焊盤端SEM+EDS

 

 

失效分析

圖3 NG焊點器件端SEM+EDS

 

 

失效分析

圖4 OK焊點焊盤端SEM+EDS

 

 

失效分析

圖5 OK焊點器件端SEM+EDS

 

2.3 切片分析

通過對失效焊點和正常焊點進行切片分析,發現器件脫落的斷裂位置位於器件引腳IMC層下方焊料中,且部分NG焊點中焊料存在裂紋。從NG焊點剖面開裂,及表面分析結果可以初步斷定此次失效屬於典型的焊點疲勞開裂。

 

失效分析

圖6 NG焊點切片SEM圖片

 

2.4 EBSD分析

通過對失效焊點進行EBSD(電子背散射衍射)分析,發現NG焊點中焊料的晶粒尺寸較為粗大,焊料中的斷裂形式為沿晶斷裂。

 

失效分析失效分析
圖7 NG-2焊點焊料的EBSD分析圖片 a)晶界圖 b)取向圖

 

2.5 應力分析

器S件引腳與焊點界面處應力應變較大,說明此處是失效多發區域,這也解釋了為什麽裂紋沿器件引腳近界面處開裂的原因。

 

失效分析

圖8 焊點在熱循環過程中累積的等效非彈性應變

 

2.6 熱膨脹系數測試

測試條件:在N2環境中,以5℃/min的速率從-70℃升溫到160℃。

測試結果:溫度區間為23℃~123℃,CTE測試結果為181.7 ppm/℃。

測試結果表明,此封裝膠體的熱膨脹系數較大,膠體較硬,且此PCBA用於電源產品,使用過程中必然經受較高的溫度,在不斷的高低溫循環條件下,焊點極易產生疲勞開裂。此外,二極管本身也存在功耗,焊點服役環境相比其他器件焊點會更加惡劣,所以二極管焊點失效概率必然較大。

 

失效分析

圖9 封裝膠體熱膨脹系數測試曲線

 

3 分析與討論

從焊點開裂表面形貌分析可知,焊點開裂屬於脆性斷裂;切片分析可知,裂紋沿器件引腳近界面處萌生和開裂,EBSD(電子背散射衍射)測試結果表明,裂紋屬於沿晶開裂,且組織較為粗大。

以上特征表明,二極管焊點開裂屬於典型的疲勞開裂,其機理是蠕變與疲勞損傷復合累積的結果[1],宏觀上表現為熱疲勞損傷導致在焊料與基板過渡區(即高應力區)產生初始裂紋,然後逐漸沿近界面擴展至整個焊點長度;微觀上表現為熱疲勞斷口表面有微空洞和蠕變沿晶界斷裂的痕跡[2-3]

力學分析表明,器件引腳附近的應力應變較大,與實際失效位置完全壹致,驗證了焊點疲勞開裂的正確性。熱膨脹系數測試結果表明,PCBA外圍的封裝膠體CTE高達181.7 ppm/℃,而電源產品在使用過程中必然產生高溫(二極管本身存在壹定功耗,會加劇溫升),間歇性使用所帶來的溫度循環會導致焊點低周疲勞,封裝膠與器件、PCB間的熱失配會進壹步加劇疲勞進程。同時,焊點本身存在較多缺陷,抗疲勞能力下降[4-5]

以上種種原因共同作用導致焊點疲勞開裂。

 

4 結論

二極管焊點開裂屬於焊點疲勞失效,導致其失效的原因為:①焊點缺陷較多且存在應力集中區,加速焊點的疲勞失效進程。②材料間的熱失配。

 

5 建議

(1)重新選擇封裝膠體類型,降低膠體所帶來的內應力;

(2)加強散熱設計,降低電源使用過程中的溫度;

(3)優化焊接工藝,盡量減少焊接缺陷及應力集中。

 

6 參考文獻

[1] 王考, 陳循等. QFP焊點形態預測及可靠性分析[J], 強度與環境, 2004, 31(1).

[2] 盛重, 薛松柏等. QFP器件微焊點熱疲勞行為分析[J], 焊接學報, 2009, 30(12).

[3] 林健, 雷永平等. 電子電路中焊點的熱疲勞裂紋擴展規律[J], 機械工程學報, 2010, 46(6).

[4] 林健, 雷永平等. 板極封裝焊點中熱疲勞裂紋的萌生及擴展過程[J], 稀有金屬材料與工程, 2010, 39(1).

[5] 王考, 陳循等. 溫度循環應力剖面對QFP焊點熱疲勞壽命的影響[J], 計算力學學報, 2005, 22(2).

 

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