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PCBA烧毁失效分析

2022-08-22  浏览量:169

 

引言

 

PCBA在生产、运输、使用过程中,会受到各种应力,当PCBA受力过载时,就会导致开裂、短路、烧毁等失效问题发生。本文以PCBA烧毁失效为例,通过形貌观察、无损检测、电性能测试、切片分析等方法,明确其烧毁原因与失效机理,并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

PCBA在客户端使用过程中停电后上电工作时发生失效,表现为电源模块烧毁。现进行失效分析。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

拆解下NG1上的电源模块进行外观检查。

检查结果显示:

(1)NG1样品上有明显的烧毁现象且有明显的烧毁路径,烧毁主要集中在正面区域,正面元件有明显烧熔及脱落的现象,背面虽有炸板迹象,PCBA上通孔有明显熔融烧毁;

(2)OK样品铜皮有外露的现象,应为绿油刮掉后露出内部铜皮。

 

样品外观检查形貌

图1. 样品外观检查形貌

 

2. X-ray检查

运用X-ray透视观察失效样品烧毁区域及对烧毁区域进行CT扫描及虚拟切片。

如外观检查所发现的结果,失效样品烧毁区域PCBA烧穿,铜皮烧伤,元器件掉落消失,但失效PCBA上的芯片、PQ1内部键合完整,未发现明显的烧毁现象,其他区域走线都未发现明显异常。

 

NG1失效样品X-ray透视照片

图2. NG1失效样品X-ray透视照片

 

失效样品CT扫描形貌

图3. 失效样品CT扫描形貌

 

3. 电路分析

结合外观、Xray检测结果和电路图及PCBA板图,发现样品主要烧毁的元件为:PC1、PC2、PC3、PC4、L1、PC7、PC8、PC370、PC35、PC38,最远端位置的PC38、PC35和PC7仍在板,仅一侧烧毁,电感L1脱落但完好,中心位置为PC8和PC370位置,两个电容已经不存在(其中PC8为运输过程时掉落),电容PC370为NG1起火点位置。

 

样品部分电路原理图

图4. 样品部分电路原理图

 

4. SEM形貌观察及EDS成分分析

在电子显微镜下观察失效样品烧毁区域及对相关区域进行EDS成分分析。SEM形貌观察发现失效样品有明显的烧毁路径,如电路分析的结果一致,都与54V输入端有关,EDS成分分析发现的元素都是PCBA本身元素,如PCBA基材,三防漆、绿油的主要成分。

 

失效样品SEM形貌

图5. 失效样品SEM形貌

 

NG1失效样品EDS

图6. NG1失效样品EDS

 

5. 失效样品上剩余元件分析

5.1 失效样品芯片分析

在电路中芯片起控制、反馈、补偿作用,且芯片输入端电压取的是54V输入端的电压,为确认烧毁样品输入端电压是否有明显异常,对失效样品上的芯片进行分析。

分析结果显示:失效样品上芯片引脚间半导体特性未发现明显短路的现象,且开封后未发现芯片内部有明显烧毁的现象,说明失效样品上芯片未发生明显失效。

 

失效样品上芯片引脚间半导体特性

图7. 失效样品上芯片引脚间半导体特性

 

NG1失效样品上芯片开封后形貌

图8. NG1失效样品上芯片开封后形貌

 

5.2 失效样品剩余电容切片

失效样品上电容左端完好,右端有明显的熔融烧毁现象,电容附近的PCBA烧毁形貌也显示从表面向内烧毁。

 

NG1失效样品电容切片分析

图9. NG1失效样品电容切片分析

 

6. 模拟试验

从电路和实际烧毁上发现,样品的烧毁是从+54V连接处到电容PC8、PC35、PC370、PC7、PC38、PC1、 PC2、PC3、PC4,其中PC370完全熔融,而陶瓷电容存在本体受应力,容易开裂短路,短路后上电易燃烧的特点,所以模拟当陶瓷电容短路之后的上电情况。

 

6.1 模拟试验1:电容击穿失效模拟

(1)从OK板上取下电容PC3,用电容耐压测试仪器,步进到890V时,电容被击穿,阻值11.8K欧姆;

(2)把短路的PC3焊接回OK板上,在板测得两端阻值4.96K欧姆;

(3)把小板安装回主板上进行上电,持续上电;

模拟结果说明:当PC3电容受损,绝缘电阻变小,上电瞬间小板出现电容燃烧现象,燃烧熄灭后的电容内部短路位置残留物依旧致使烧毁区域电路绝缘性能下降成低阻状态,持续大电流导致PCB铜皮长时间发热烧毁。模拟试验1后样品烧毁形貌和区域与NG2失效样品失效情况基本一致,因此NG2失效样品烧毁的原因为PC3和PC4电容有损伤导致的。

 

6.2 模拟试验2:电容物理失效模拟

(1)在板上使用撞击失效品的物理方法损坏PC370和PC7电容,损坏后电容阻值为3Ω;

(2)持续上电。

模拟结果:PC370和PC7电容受损后,绝缘电阻变小为3欧姆,上电瞬间小板出现电容燃烧现象,燃烧熄灭后的电容内部短路位置残留物依旧致使烧毁区域电路绝缘性能下降成低阻状态,持续大电流导致PCB铜皮长时间发热烧毁。几小时后,模拟试验2后样品烧毁形貌与失效样品烧毁形貌高度一致。

 

三、总结分析

 

结合外观、Xray检测结果和电路图分析,发现样品主要烧毁的元件较多,最远端位置的PC38、PC35和PC7仍在板,仅一侧烧毁,中心位置PC370为NG1起火点位置,烧板位置靠近输入端,烧毁的能量来源于54V输入端。

 

失效样品上核心烧毁区域的元器件大部分因烧毁或脱焊掉落,EDS成分分析烧毁区域未发现有异常腐蚀性元素基板排除腐蚀导致PCB板短路起火;在电路中起控制、反馈、补偿作用的芯片引脚间半导体特性曲线未发现异常,开封后也未发现芯片内部有明显烧毁的现象,因此失效样品烧毁可能与PC1、PC4、PC370电容有关;

 

模拟试验部分:(1)取OK 样品上的最近的PC3电容做击穿电压试验,将击穿烧毁的电容重新焊接在电源转后,进行上电试验,发现电源模块起火烧毁,在持续的通电过程中有火花产生,在通电一段时间后样品烧毁形貌与失效样品烧毁形貌一致,因此当PC1、PC2、PC3、PC4电容绝缘阻抗下降时,PCBA会出现烧毁现象。但陶瓷电容击穿电压为890V,而电路中不可能存在800V左右的高压,因此基本排除因电容过压击穿导致的失效样品烧毁;

 

(2)物理方法损伤PC370、PC7电容后进行上电试验,模拟电源模块起火烧毁,在通电一段时间后烧毁的形貌和位置与失效样品烧毁形貌高度一致,因此判定此位置的PC8、PC370、PC35、PC38电容损伤时,PCBA会出现烧毁现象。

 

(3)电容开裂短路后上电,电压被拉低,电容烧毁但并未烧开路,而是短路。短路情况下PCB铜箔持续大电流发热,整个电路铜箔烧毁,留下严重的烧毁痕迹。

 

陶瓷电容内部为层叠电极结构,在受到外部应力,如板弯变形、机械撞击等应力时,就会产生微裂纹。此微裂纹在后期运输和使用过程中,受到振动、温度变化的影响会不断延伸,如果裂纹延伸到电极重叠区域将会导致电容绝缘性能下降。

 

设备正常使用中,设备本身发热高,外部水汽无法进入。当停电时,设备冷却,外部水汽就会沿着裂纹进入电容内部,造成上下两层电极之间的绝缘性能剧烈下降,二次上电时就会导致电容内部低阻甚至短路失效。电容短路会导致电源输入端和地短路,持续供电情况下持续烧毁,最终导致后续烧毁失效的发生。

 

电容裂纹失效导致烧毁失效机理

图10. 电容裂纹失效导致烧毁失效机理

 

四、结论与建议

 

电源模块烧毁的原因为陶瓷电容失效导致的烧毁。通过电路排查,排查外部电应力击穿导致失效,怀疑应力导致陶瓷电容失效后,上电后出现烧毁。

 

改善建议

1. 进行板级组装和装配过程应力排查;

2. 增加保护单元如热敏电阻、保险丝等进行电路保护,避免发生严重烧毁现象。

 

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