王君兆，鄧勝良，馬聰

（深圳市美信檢測技術(shù)股份有限公司，深圳寶安，518108）

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摘要：某PCBA樣品在使用約半年后出現(xiàn)功能失效，該P(yáng)CBA在封裝后進(jìn)行整體灌膠，將失效樣品剝離，發(fā)現(xiàn)部分器件直接脫落，通過表面觀察、切片分析、EBSD分析、應(yīng)力分析、熱膨脹系數(shù)測試等手段對樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明：各封裝材料存在熱失配，焊點(diǎn)缺陷較多且存在應(yīng)力集中區(qū)，加速焊點(diǎn)的疲勞失效進(jìn)程，導(dǎo)致PCBA功能失效。

關(guān)鍵詞：EBSD；熱疲勞；應(yīng)力集中；熱失配

1 案例背景

失效樣品為封裝后整體灌膠的PCBA，該P(yáng)CBA在使用約半年后出現(xiàn)功能失效，將失效樣品的膠剝離后，發(fā)現(xiàn)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(jìn)行剝膠處理后，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在器件脫落現(xiàn)象，脫落器件均為二極管器件，且主要集中在三個(gè)區(qū)域位置，脫落后焊盤端和二極管引腳端未發(fā)現(xiàn)明顯的異常污染現(xiàn)象，正常焊點(diǎn)成型良好。

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(yīng)位置進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)失效樣品斷口主要呈現(xiàn)脆性斷裂，OK樣品斷口呈現(xiàn)塑性斷裂，對于焊錫材料自身性能來講出現(xiàn)塑性斷裂才是其正常表現(xiàn)形式，此外，失效樣品裂縫沿焊點(diǎn)內(nèi)部擴(kuò)展，而不是常見的焊點(diǎn)界面。

圖2 NG焊點(diǎn)焊盤端SEM+EDS

圖3 NG焊點(diǎn)器件端SEM+EDS

圖4 OK焊點(diǎn)焊盤端SEM+EDS

圖5 OK焊點(diǎn)器件端SEM+EDS

2.3 切片分析

通過對失效焊點(diǎn)和正常焊點(diǎn)進(jìn)行切片分析，發(fā)現(xiàn)器件脫落的斷裂位置位于器件引腳IMC層下方焊料中，且部分NG焊點(diǎn)中焊料存在裂紋。從NG焊點(diǎn)剖面開裂，及表面分析結(jié)果可以初步斷定此次失效屬于典型的焊點(diǎn)疲勞開裂。

圖6 NG焊點(diǎn)切片SEM圖片

2.4 EBSD分析

通過對失效焊點(diǎn)進(jìn)行EBSD（電子背散射衍射）分析，發(fā)現(xiàn)NG焊點(diǎn)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。

圖7 NG-2焊點(diǎn)焊料的EBSD分析圖片 a)晶界圖 b)取向圖

2.5 應(yīng)力分析

器S件引腳與焊點(diǎn)界面處應(yīng)力應(yīng)變較大，說明此處是失效多發(fā)區(qū)域，這也解釋了為什么裂紋沿器件引腳近界面處開裂的原因。

圖8 焊點(diǎn)在熱循環(huán)過程中累積的等效非彈性應(yīng)變

2.6 熱膨脹系數(shù)測試

測試條件：在N2環(huán)境中，以5℃/min的速率從-70℃升溫到160℃。

測試結(jié)果：溫度區(qū)間為23℃~123℃，CTE測試結(jié)果為181.7 ppm/℃。

測試結(jié)果表明，此封裝膠體的熱膨脹系數(shù)較大，膠體較硬，且此PCBA用于電源產(chǎn)品，使用過程中必然經(jīng)受較高的溫度，在不斷的高低溫循環(huán)條件下，焊點(diǎn)極易產(chǎn)生疲勞開裂。此外，二極管本身也存在功耗，焊點(diǎn)服役環(huán)境相比其他器件焊點(diǎn)會(huì)更加惡劣，所以二極管焊點(diǎn)失效概率必然較大。

圖9 封裝膠體熱膨脹系數(shù)測試曲線

3 分析與討論

從焊點(diǎn)開裂表面形貌分析可知，焊點(diǎn)開裂屬于脆性斷裂；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(jié)果表明，裂紋屬于沿晶開裂，且組織較為粗大。

以上特征表明，二極管焊點(diǎn)開裂屬于典型的疲勞開裂，其機(jī)理是蠕變與疲勞損傷復(fù)合累積的結(jié)果^[1]，宏觀上表現(xiàn)為熱疲勞損傷導(dǎo)致在焊料與基板過渡區(qū)（即高應(yīng)力區(qū)）產(chǎn)生初始裂紋，然后逐漸沿近界面擴(kuò)展至整個(gè)焊點(diǎn)長度；微觀上表現(xiàn)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(xué)分析表明，器件引腳附近的應(yīng)力應(yīng)變較大，與實(shí)際失效位置完全一致，驗(yàn)證了焊點(diǎn)疲勞開裂的正確性。熱膨脹系數(shù)測試結(jié)果表明，PCBA外圍的封裝膠體CTE高達(dá)181.7 ppm/℃，而電源產(chǎn)品在使用過程中必然產(chǎn)生高溫（二極管本身存在一定功耗，會(huì)加劇溫升），間歇性使用所帶來的溫度循環(huán)會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)低周疲勞，封裝膠與器件、PCB間的熱失配會(huì)進(jìn)一步加劇疲勞進(jìn)程。同時(shí)，焊點(diǎn)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(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞開裂。

4 結(jié)論

二極管焊點(diǎn)開裂屬于焊點(diǎn)疲勞失效，導(dǎo)致其失效的原因?yàn)椋孩俸更c(diǎn)缺陷較多且存在應(yīng)力集中區(qū)，加速焊點(diǎn)的疲勞失效進(jìn)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(nèi)應(yīng)力；

（2）加強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)，降低電源使用過程中的溫度；

（3）優(yōu)化焊接工藝，盡量減少焊接缺陷及應(yīng)力集中。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 王考, 陳循等. QFP焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測及可靠性分析[J], 強(qiáng)度與環(huán)境, 2004, 31(1).

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

[3] 林健, 雷永平等. 電子電路中焊點(diǎn)的熱疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律[J], 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(6).

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[5] 王考, 陳循等. 溫度循環(huán)應(yīng)力剖面對QFP焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響[J], 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 22(2).