引言

 

PCBA在生產、運輸、使用過程中,會受到各種應力，當PCBA受力過載時，就會導致開裂、短路、燒毀等失效問題發生。本文以PCBA燒毀失效為例，通過形貌觀察、無損檢測、電性能測試、切片分析等方法，明確其燒毀原因與失效機理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

PCBA在客戶端使用過程中停電后上電工作時發生失效，表現為電源模塊燒毀。現進行失效分析。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

拆解下NG1上的電源模塊進行外觀檢查。

檢查結果顯示：

（1）NG1樣品上有明顯的燒毀現象且有明顯的燒毀路徑，燒毀主要集中在正面區域，正面元件有明顯燒熔及脫落的現象，背面雖有炸板跡象，PCBA上通孔有明顯熔融燒毀；

（2）OK樣品銅皮有外露的現象，應為綠油刮掉后露出內部銅皮。

 

圖1. 樣品外觀檢查形貌

 

2. X-ray檢查

運用X-ray透視觀察失效樣品燒毀區域及對燒毀區域進行CT掃描及虛擬切片。

如外觀檢查所發現的結果，失效樣品燒毀區域PCBA燒穿，銅皮燒傷，元器件掉落消失，但失效PCBA上的芯片、PQ1內部鍵合完整，未發現明顯的燒毀現象，其他區域走線都未發現明顯異常。

 

圖2. NG1失效樣品X-ray透視照片

 

圖3. 失效樣品CT掃描形貌

 

3. 電路分析

結合外觀、Xray檢測結果和電路圖及PCBA板圖，發現樣品主要燒毀的元件為：PC1、PC2、PC3、PC4、L1、PC7、PC8、PC370、PC35、PC38，最遠端位置的PC38、PC35和PC7仍在板，僅一側燒毀，電感L1脫落但完好，中心位置為PC8和PC370位置，兩個電容已經不存在（其中PC8為運輸過程時掉落），電容PC370為NG1起火點位置。

 

圖4. 樣品部分電路原理圖

 

4. SEM形貌觀察及EDS成分分析

在電子顯微鏡下觀察失效樣品燒毀區域及對相關區域進行EDS成分分析。SEM形貌觀察發現失效樣品有明顯的燒毀路徑，如電路分析的結果一致，都與54V輸入端有關，EDS成分分析發現的元素都是PCBA本身元素，如PCBA基材，三防漆、綠油的主要成分。

 

圖5. 失效樣品SEM形貌

 

圖6. NG1失效樣品EDS

 

5. 失效樣品上剩余元件分析

5.1 失效樣品芯片分析

在電路中芯片起控制、反饋、補償作用，且芯片輸入端電壓取的是54V輸入端的電壓，為確認燒毀樣品輸入端電壓是否有明顯異常，對失效樣品上的芯片進行分析。

分析結果顯示：失效樣品上芯片引腳間半導體特性未發現明顯短路的現象，且開封后未發現芯片內部有明顯燒毀的現象，說明失效樣品上芯片未發生明顯失效。

 

圖7. 失效樣品上芯片引腳間半導體特性

 

圖8. NG1失效樣品上芯片開封后形貌

 

5.2 失效樣品剩余電容切片

失效樣品上電容左端完好，右端有明顯的熔融燒毀現象，電容附近的PCBA燒毀形貌也顯示從表面向內燒毀。

 

圖9. NG1失效樣品電容切片分析

 

6. 模擬試驗

從電路和實際燒毀上發現，樣品的燒毀是從+54V連接處到電容PC8、PC35、PC370、PC7、PC38、PC1、 PC2、PC3、PC4，其中PC370完全熔融，而陶瓷電容存在本體受應力，容易開裂短路，短路后上電易燃燒的特點，所以模擬當陶瓷電容短路之后的上電情況。

 

6.1 模擬試驗1：電容擊穿失效模擬

（1）從OK板上取下電容PC3，用電容耐壓測試儀器，步進到890V時，電容被擊穿，阻值11.8K歐姆；

（2）把短路的PC3焊接回OK板上，在板測得兩端阻值4.96K歐姆；

（3）把小板安裝回主板上進行上電，持續上電；

模擬結果說明：當PC3電容受損，絕緣電阻變小，上電瞬間小板出現電容燃燒現象，燃燒熄滅后的電容內部短路位置殘留物依舊致使燒毀區域電路絕緣性能下降成低阻狀態，持續大電流導致PCB銅皮長時間發熱燒毀。模擬試驗1后樣品燒毀形貌和區域與NG2失效樣品失效情況基本一致，因此NG2失效樣品燒毀的原因為PC3和PC4電容有損傷導致的。

 

6.2 模擬試驗2：電容物理失效模擬

（1）在板上使用撞擊失效品的物理方法損壞PC370和PC7電容，損壞后電容阻值為3Ω；

（2）持續上電。

模擬結果：PC370和PC7電容受損后，絕緣電阻變小為3歐姆，上電瞬間小板出現電容燃燒現象，燃燒熄滅后的電容內部短路位置殘留物依舊致使燒毀區域電路絕緣性能下降成低阻狀態，持續大電流導致PCB銅皮長時間發熱燒毀。幾小時后，模擬試驗2后樣品燒毀形貌與失效樣品燒毀形貌高度一致。

 

三、總結分析

 

結合外觀、Xray檢測結果和電路圖分析，發現樣品主要燒毀的元件較多，最遠端位置的PC38、PC35和PC7仍在板，僅一側燒毀，中心位置PC370為NG1起火點位置，燒板位置靠近輸入端，燒毀的能量來源于54V輸入端。

 

失效樣品上核心燒毀區域的元器件大部分因燒毀或脫焊掉落，EDS成分分析燒毀區域未發現有異常腐蝕性元素基板排除腐蝕導致PCB板短路起火；在電路中起控制、反饋、補償作用的芯片引腳間半導體特性曲線未發現異常，開封后也未發現芯片內部有明顯燒毀的現象，因此失效樣品燒毀可能與PC1、PC4、PC370電容有關；

 

模擬試驗部分:（1）取OK 樣品上的最近的PC3電容做擊穿電壓試驗，將擊穿燒毀的電容重新焊接在電源轉后，進行上電試驗，發現電源模塊起火燒毀，在持續的通電過程中有火花產生，在通電一段時間后樣品燒毀形貌與失效樣品燒毀形貌一致，因此當PC1、PC2、PC3、PC4電容絕緣阻抗下降時，PCBA會出現燒毀現象。但陶瓷電容擊穿電壓為890V，而電路中不可能存在800V左右的高壓，因此基本排除因電容過壓擊穿導致的失效樣品燒毀；

 

（2）物理方法損傷PC370、PC7電容后進行上電試驗，模擬電源模塊起火燒毀，在通電一段時間后燒毀的形貌和位置與失效樣品燒毀形貌高度一致，因此判定此位置的PC8、PC370、PC35、PC38電容損傷時，PCBA會出現燒毀現象。

 

（3）電容開裂短路后上電，電壓被拉低，電容燒毀但并未燒開路，而是短路。短路情況下PCB銅箔持續大電流發熱，整個電路銅箔燒毀，留下嚴重的燒毀痕跡。

 

陶瓷電容內部為層疊電極結構，在受到外部應力，如板彎變形、機械撞擊等應力時，就會產生微裂紋。此微裂紋在后期運輸和使用過程中，受到振動、溫度變化的影響會不斷延伸，如果裂紋延伸到電極重疊區域將會導致電容絕緣性能下降。

 

設備正常使用中，設備本身發熱高，外部水汽無法進入。當停電時，設備冷卻，外部水汽就會沿著裂紋進入電容內部，造成上下兩層電極之間的絕緣性能劇烈下降，二次上電時就會導致電容內部低阻甚至短路失效。電容短路會導致電源輸入端和地短路，持續供電情況下持續燒毀，最終導致后續燒毀失效的發生。

 

圖10. 電容裂紋失效導致燒毀失效機理

 

四、結論與建議

 

電源模塊燒毀的原因為陶瓷電容失效導致的燒毀。通過電路排查，排查外部電應力擊穿導致失效，懷疑應力導致陶瓷電容失效后，上電后出現燒毀。

 

改善建議

1. 進行板級組裝和裝配過程應力排查；

2. 增加保護單元如熱敏電阻、保險絲等進行電路保護，避免發生嚴重燒毀現象。

 

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