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原来是它导致焊点在半年后就出现疲劳失效!

2024-01-05  浏览量:65

 

原来是它导致焊点在半年后就出现疲劳失效!

 

引言

 

某款路灯电源PCBA,在使用约半年后出现功能失效。该PCBA在封装后会进行整体灌胶,将失效的胶剥离后,发现部分器件出现直接脱落现象,脱落的器件均为二极管,PCB焊盘为OSP焊盘。对已拆胶失效及相应脱落的器件,未拆胶失效,进行失效分析,找出失效原因。

 

测试分析

 

1 外观检查

 

对失效和脱落后的二极管进行外观检查,发现脱落后的焊盘端和二极管引脚端未发现明显的异常污染现象,正常焊点成型良好。

 

2 表面SEM+EDS分析

 

失效焊点焊盘端、失效二极管引脚端的表面形貌及成分,同时与良好的二极管焊点(将引脚进行剥离)进行对比,检测结果如下:

NG PCB焊盘:如图1和表1所示,焊盘表面存在较多孔洞,焊点表面较为平整,且未发现明显塑性断裂韧窝,说明断裂并非应力过大导致的焊点开裂。EDS成分结果显示,未发现异常污染元素。

 

NG焊盘端SEM图片

图1 NG焊盘端SEM图片

 

表1. NG焊盘表面EDS测试结果(Wt%)

NG焊盘表面EDS测试结果

 

NG器件引脚:如图2和表2所示,引脚表面整体较为平整,表面呈脆性断裂特征,且呈颗粒状。EDS成分显示,断裂表面主要为Sn元素,说明断裂发生在焊点内部,而不是焊点界面。

 

NG器件引脚表面SEM图片

图2 NG器件引脚表面SEM图片

 

表2. NG器件引脚表面EDS测试结果(Wt%)

NG器件引脚表面EDS测试结果

 

OK PCB焊盘:如图3和表3所示,将正常焊点器件剥离后,断裂表面主要为凹坑形的韧窝,表现为大应力下的塑性断裂。通过EDS成分分析,焊盘表面主要成分为Sn,部分位置存在Cu,断裂位置应该靠近界面处。

 

OK焊点焊盘表面SEM图片及EDS能谱图

图3 OK焊点焊盘表面SEM图片及EDS能谱图

 

表3. OK焊点焊盘表面EDS测试结果(Wt%)

OK焊点焊盘表面EDS测试结果

 

OK器件引脚:如图4和表4所示,正常焊点器件剥离后,引脚表面断口同样呈现明显的韧窝,表现为大应力下的塑性断裂。通过EDS成分分析,引脚表面主要成分为Sn。

 

OK焊点器件引脚表面SEM图片及EDS能谱图

图4 OK焊点器件引脚表面SEM图片及EDS能谱图

 

表4. OK焊点器件引脚表面EDS测试结果(Wt%)

OK焊点器件引脚表面EDS测试结果

 

由此可见,失效断口主要呈现脆性断裂,OK断口呈现塑性断裂,对于焊锡材料自身性能来讲出现塑性断裂才是其正常表现形式。

 

3 切片分析

 

为了进一步确认失效焊点和正常焊点的界面连接情况,分别对其进行切片分析观察,检测结果如下:

NG焊点:由图5所示,断裂位置均位于器件引脚IMC层下方焊料中,且部分NG焊点中焊料存在裂纹。NG焊点引脚整体上锡良好,底部均形成连续的IMC层,该IMC层的厚度约在1~2μm,说明器件脱落与焊接工艺无关。NG焊点器件未完全断裂,焊料沿着引脚与焊料的交角处开裂,且裂纹沿着IMC层下方焊料扩展。

 

NG焊点切片SEM图片

图5 NG焊点切片SEM图片

 

OK焊点:由图6可知,正常焊点中,引脚的整体上锡良好,焊点中存在较大的孔洞,引脚与焊料形成连续的IMC层;焊料中部分区域同样存在开裂情况,且引脚IMC层下方部分位置存在开裂的缺陷,说明OK焊点与NG焊点本质上是相同的,只是两者存在程度上的差异。

 

OK焊点切片SEM图片

图6 OK焊点切片SEM图片

 

4 EBSD分析

 

分别对NG焊点和OK焊点的焊料进行EBSD(电子背散射衍射)分析,发现NG焊点中焊料的晶粒尺寸较为粗大,且焊料中的断裂形式为沿晶断裂;图7所示,OK焊点中焊料的晶粒尺寸亦较为粗大。以上特点均为疲劳开裂的典型特点。

 

NG焊点焊料的EBSD分析图片

图7 NG焊点焊料的EBSD分析图片

 

OK焊点中焊料的EBSD分析图片

图8 OK焊点中焊料的EBSD分析图片

 

5 应力分析

 

图9是焊点的微区形貌,从图中可以看到焊锡与器件引脚之间并不存在圆滑过渡,而是尖角过渡(见红色圆圈标注处),这会导致应力集中的产生,加上此处本来就要承受较大的应力应变,所以焊缝内侧极易萌生裂纹。除此之外,焊缝内部含有较多的空洞,空洞的存在也会进一步加剧焊点开裂,从表面分析来看失效焊点内部存在较多的空洞,OK焊点则空洞较少,这延缓了焊点开裂失效的发生。

 

焊点外侧开裂微观形貌

图9 焊点外侧开裂微观形貌

 

由以上分析可见,应力集中、焊缝内空洞过多可以加速焊点疲劳失效,但不是导致焊点疲劳开裂的根本原因,其根本原因是焊点服役过程中所受应力应变过大所致。

 

6 绑定点焊接质量分析

 

除了以上的分析,还要注意到此PCBA完全被树脂所包裹,树脂的热膨胀系数的大小直接关系到PCB表面焊点所受的应变应力的大小。

测试结果表明,此封装胶体的热膨胀系数较大,胶体较硬,此PCBA用于电源产品,使用过程中必然经受较高的温度,在不断的高低温循环条件下,焊点极易产生疲劳开裂。

 

封装胶体热膨胀系数测试曲线

图10 封装胶体热膨胀系数测试曲线

 

结论

 

二极管焊点开裂属于焊点疲劳失效,导致其失效的根本原因在于材料间的热失配。焊点缺陷较多且存在应力集中区,加速了焊点的疲劳失效进程,属于次要原因。

 

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