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芯片焊点疲劳开裂失效分析

2022-11-10  浏览量:60

 

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。

 

NG IC引脚表面外观检查照片

图1. NG IC引脚表面外观检查照片

 

OK 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。

 

IC引脚焊点X-Ray透视检查照片

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。

 

失效IC引脚焊点切片后SEM图片及EDS能谱图

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。

 

正常IC引脚焊点切片后SEM图片及EDS能谱图

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。

 

灌封胶与PCB线性热膨胀系数测试曲线

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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