芯片焊点疲劳开裂失效分析

引言

因制造工艺、使用环境、机械应力等原因造成的焊点失效，时常导致产品故障失效，影响其使用可靠性。本文以芯片焊点开裂失效为例，通过外观检查、X-Ray检测、切片分析、热学分析等方法，分析其失效原因与机理，并提出改善建议。

一、案例背景

某批次交通诱导屏出现局部花屏，分析发现 IC芯片有类似虚焊或接触不良现象，对器件加焊后显示恢复正常，初步怀疑是焊接问题。现分析芯片焊点是否存在异常以及异常的原因。

二、分析过程

1. 外观检查

将失效IC及正常IC外层灌封胶剥离后，对IC引脚焊点进行外观检查。失效IC多个引脚焊点表面均发现异常裂纹现象，正常IC引脚焊点未发现异常现象。

图1. NG IC引脚表面外观检查照片

图2. OK IC引脚表面外观检查照片

2. X-Ray观察

利用X-Ray对失效IC和正常IC引脚焊点进行透视观察。

失效IC多个引脚焊点发现开裂现象，正常IC焊点未发现明显异常现象。后续通过切片分析手段，对焊点焊接状况进一步确认。

图3. IC引脚焊点X-Ray透视检查照片

3. 剖面分析

对失效IC典型开裂焊点及正常IC焊点进行切片后，利用SEM+EDS对截面进行观察分析，结果如下。

失效IC：①异常引脚焊点呈贯穿性开裂，开裂位于靠PCB 侧IMC与焊锡之间；②PCB侧IMC生成连续，厚度正常；③成分测试显示，开裂位置未发现异常元素存在；④开裂引脚及正常引脚焊点，IMC内都发现微裂纹现象；⑤开裂位置周围界面观察显示，引脚与灌封胶之间、灌封胶与PCB之间都发现界面分离现象。

图4. 失效IC引脚焊点切片后SEM图片及EDS能谱图

正常IC：①引脚焊点未发现明显开裂等异常；②焊点IMC内同样存在微裂纹现象；③界面观察结果显示，焊点与灌封胶同样存在界面分离现象，只是分离程度不同，本质无差异；④灌封胶与PCB表面未发现明显界面分离现象。

图5. 正常IC引脚焊点切片后SEM图片及EDS能谱图

以上结果显示：①失效IC个别引脚焊点呈贯穿性开裂，开裂位于靠PCB侧IMC与焊锡之间，结合焊点周围存在显著界面分离现象，推测焊点开裂因材料间热失配而引发焊点疲劳开裂失效；②成分测试显示，开裂位置未发现异常元素，同时IMC生成连续，厚度正常，故排除污染及焊接热输入异常对焊点开裂的影响；③失效IC及正常IC，IMC内部都发现微裂纹现象，故其他未开裂焊点同样存在可靠性风险。

4. 热学分析

为了确认灌封胶与PCB热膨胀系数是否存在较大差异，利用热机械分析仪对二者进行线性热膨胀系数测试。

结果显示，灌封胶在-40.0℃~55.0℃温度下Z轴线性热膨胀系数为382.2954μm/(m·℃)，而PCB在相同温度下Z轴线性热膨胀系数为38.7934μm/(m·℃)，相同温度下，灌封胶线性热膨胀系数约是PCB的10倍。

图6. 灌封胶与PCB线性热膨胀系数测试曲线

三、总结分析

外观检查及X-Ray透视观察发现，失效IC多个引脚焊点都存在裂纹异常，而正常IC引脚焊点未发现异常现象。

剖面分析结果显示：①失效IC裂纹焊点呈贯穿性开裂，开裂位置位于靠PCB侧IMC与焊锡之间；②成分测试显示，开裂位置未发现异常元素，同时IMC生成连续，厚度正常，故排除污染及焊接热输入异常对焊点开裂的影响；③失效IC及正常IC，IMC内部都发现微裂纹现象，故其他未开裂焊点同样存在可靠性风险；④焊点周围界面观察显示，失效IC位置，灌封胶与焊点及PCB表面都发现界面分离现象。正常IC位置，灌封胶与焊点虽存在不同程度界面分离现象，但灌封胶与PCB表面未发现明显界面分离现象。

热学分析结果显示，-40.0℃~55.0℃温度下，灌封胶Z轴线性热膨胀系数约是PCB 的10倍。

综上所述，焊点开裂的主要原因为：灌封胶与PCB之间材料热失配导致灌封胶与PCB界面分离，界面分离后产生的内应力直接加载在焊点上，周期性的内应力最终导致焊点疲劳开裂。

正常IC位置灌封胶与PCB界面结合良好，焊点未发生疲劳开裂失效，但由于焊点IMC内部存在微裂纹，故同样存在可靠性问题。

芯片焊点发生疲劳失效的直接原因是周期性的应力应变，影响周期性的应力应变的因素包括：1.LED灯板服役温度，服役温度与应力应变大小直接相关，服役温度越高，应力应变的程度越大，焊点越容易发生疲劳失效；2.灯板整体散热设计，散热设计不合理，可能导致灯板局部温度过高；3. 材料热失配，材料间存在较大热学性能差异（如线性热膨胀系数等），更容易导致内应力产生。

四、结论与建议

芯片失效的原因为引脚焊点发生了疲劳开裂。

改善建议

1. 更换热膨胀系数更小的灌封胶，减小材料间热失配影响；

2. 改善灯板散热设计，降低灯板温度，避免局部温度不均现象。

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