引言

 

焊點可靠性是電子組裝可靠性的重要內容，任意一個焊點的失效，都有可能造成器件甚至系統(tǒng)的整體失效。焊點失效通常由各種因素相互作用引發(fā)，不同的制造工藝、使用環(huán)境所導致的失效機理也有所不同，其主要失效機理包括熱致失效、機械應力失效與電化學失效等。

 

本文以PCBA焊點失效分析為例，介紹其失效機理與分析方法，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

委托方反饋，PCBA在客戶端服役期間出現(xiàn)功能異常，初步分析是由于焊點開裂所致。實驗室針對委托方提供的3pcs失效PCBA進行測試分析，查找焊點開裂的原因。

 

二、分析過程

 

1. X射線透視觀察

利用X射線對失效PCBA-1#、PCBA-2#焊點結構透視檢查，結果如圖1~2所示：

 

兩塊失效板在模塊固定位置均發(fā)現(xiàn)焊點開裂現(xiàn)象，裂紋極為明顯，其他區(qū)域焊點未發(fā)現(xiàn)明顯的焊點開裂現(xiàn)象。

 

圖1. PCBA-1# X射線透視照片

 

圖2. PCBA-2# X射線透視照片

 

2. 外觀檢查

為觀察異常焊點外觀狀況，將與模塊相連的PCB研磨去除后，利用體視顯微鏡對器件焊點完整性進行光學觀察，結果如圖3所示：

 

三極管焊點表面存在明顯的開裂形貌，開裂位置與X射線觀察結果一致。值得注意的是，模塊表面存在較多三防漆，且分布極不均勻，特別是失效器件幾乎完全被三防漆所覆蓋。

 

圖3. 失效PCBA-1# 表面焊點完整性外觀檢查

 

3. 剝離分析

為了觀察異常焊點內部狀況，將焊點剝離后，對剝離界面進行顯微分析，結果如圖4~5及表1~2所示：

 

剝離過程中，異常器件三個焊點輕松被撥開，說明三焊點都存在不同程度開裂現(xiàn)象，焊點強度大幅下降。通過掃描電子顯微鏡觀察，三焊點剝離界面宏觀上呈現(xiàn)出較為明顯的塑性變形，但微觀形貌未觀察到典型韌窩形貌；同時，界面處觀測到較為明顯的晶界，說明晶界發(fā)生了弱化現(xiàn)象。而成分測試顯示，界面不存在明顯異常元素。

 

由以上測試結果分析，焊點在服役過程中承受較高的正向應力，應力水平低于焊點自身強度；微觀形貌表現(xiàn)與疲勞形貌相似。

 

圖4. PCBA-1#焊點剝離界面（PCB側）SEM圖片及EDS能譜圖

 

表1. PCBA-1#焊點剝離界面成分測試結果（wt.%）

 

圖5. PCBA-1#焊點剝離界面（引腳側）SEM圖片及EDS能譜圖

 

表2. PCBA-1#焊點剝離界面成分測試結果（wt.%）

 

4. 剖面分析

為觀察開裂焊點內部組織特征及結構特征，對PCBA-2#、PCBA-3#相關焊點進行剖面分析，結果如下：

 

PCBA-2#:

如圖6及表3所示，（a）器件附近三防漆堆積嚴重，連接模塊PCB與載板PCB，其中器件側三防漆與模塊PCB分離；（b）焊點完全開裂，開裂路徑位于焊點內部，且焊點在正向應力作用下與下界面分離。

 

圖6. PCBA-2#異常焊點剖面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表3. PCBA-2#異常焊點成分測試結果（wt.%）

 

PCBA-3#:

 

 

如圖7（a）-圖7（c）所示，剖面位置（Row1）：模塊PCBA下表面器件附近三防漆堆積嚴重，連接了模塊PCB與載板PCB，其中器件側三防漆與模塊PCB分離；焊點完全開裂，開裂路徑位于焊點內部；模塊PCBA上表面器件表面無三防漆堆積，焊點結構完好，無明顯裂紋。

 

圖7(a). PCBA-3#焊點剖面(Row1)金相照片

 

剖面位置（Row2）：器件附近三防漆同樣堆積嚴重，不同的是三防漆與模塊PCB之間界面結合良好，未見明顯分離；焊點內部未見明顯裂紋。

 

圖7(b). PCBA-3#焊點剖面(Row2)金相照片

 

剖面位置（Row3）：三防漆完全包裹器件，三防漆與模塊PCB界面存在分離現(xiàn)象；焊點內部存在開裂現(xiàn)象，同時觀測到焊點內部存在明顯氣泡，氣泡的存在會弱化焊點強度；電容端電極脫落，說明服役過程中器件電極承受較大的正向應力。

 

圖7(c). PCBA-3#焊點剖面(Row3)金相照片

 

以上測試結果說明：

焊點開裂與三防漆堆積存在明顯的相關性，同時要注意到，三防漆與模塊PCB界面結合較差，存在明顯分離；焊點裂紋路徑位于焊點內部，這主要與服役過程中焊點內部的應力應變分布區(qū)域相關；模塊PCBA上表面焊點結構完好，未觀測到開裂。

 

三、總結

 

本案件為PCBA在客戶端服役期間出現(xiàn)功能異常，由于焊點開裂所致。

 

測試結果顯示，裂紋路徑位于焊點內部，焊點開裂界面分離，說明焊點在服役過程中承受較大程度的正向應力；焊點開裂界面形貌無明顯韌窩，觀測到明顯晶界弱化，這些特征與焊點疲勞失效特征完全吻合。

 

此外，發(fā)現(xiàn)失效焊點均具有極強的規(guī)律性：所有開裂焊點均位于模塊PCBA的下表面，失效器件附近均堆積有大量三防漆，三防漆連接了模塊PCB與載板PCB，且三防漆與模塊PCB界面結合較差，界面明顯分離。

 

三防漆的堆積會放大材料間熱失配問題，三防漆與模塊PCB界面分離導致內應力直接加載在焊點上，周期性的內應力是誘發(fā)焊點疲勞的直接原因；三防漆與與模塊PCB界面結合良好，則焊點并未出現(xiàn)疲勞裂紋。當然，也要注意到個別器件內部空洞率較高，這在一定程度上也會降低焊點的強度，弱化焊點的抗疲勞性能。

 

焊點發(fā)生疲勞失效的直接原因是周期性的應力應變，影響周期性的應力應變的因素有哪些呢？

 

1. PCBA板卡服役溫度，服役溫度與應力應變大小直接相關，服役溫度越高，應力應變的程度越大，焊點越容易發(fā)生疲勞失效；

2. 結構因素，本案中三防漆堆積嚴重，且連接了載板PCB與模塊PCB，這種結構必然在服役過程中放大了材料間熱性能差異帶來的影響，特別是模塊側三防漆與PCB結合不良，導致焊點獨自承受應力應變。

 

四、結論與建議

 

焊點開裂屬于典型的疲勞開裂，與焊點服役過程中所承受的應力應變直接相關。模塊與載板PCBA之間異常的三防漆堆積、服役運行溫度是影響應力應變程度的核心因素。

 

改善建議：

1.產品熱管理/設計優(yōu)化，降低服役溫度；

2.優(yōu)化三防漆涂覆工藝，例如先做三防，再做子母板的互連工藝，防止模塊與載板PCBA之間發(fā)生三防漆的異常堆積。

 

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