原來是它導(dǎo)致焊點(diǎn)在半年后就出現(xiàn)疲勞失效！

引言

某款路燈電源PCBA，在使用約半年后出現(xiàn)功能失效。該P(yáng)CBA在封裝后會(huì)進(jìn)行整體灌膠，將失效的膠剝離后，發(fā)現(xiàn)部分器件出現(xiàn)直接脫落現(xiàn)象，脫落的器件均為二極管，PCB焊盤為OSP焊盤。對(duì)已拆膠失效及相應(yīng)脫落的器件，未拆膠失效，進(jìn)行失效分析，找出失效原因。

測(cè)試分析

1 外觀檢查

對(duì)失效和脫落后的二極管進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)脫落后的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。

2 表面SEM+EDS分析

失效焊點(diǎn)焊盤端、失效二極管引腳端的表面形貌及成分，同時(shí)與良好的二極管焊點(diǎn)（將引腳進(jìn)行剝離）進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果如下：

NG PCB焊盤：如圖1和表1所示，焊盤表面存在較多孔洞，焊點(diǎn)表面較為平整，且未發(fā)現(xiàn)明顯塑性斷裂韌窩，說明斷裂并非應(yīng)力過大導(dǎo)致的焊點(diǎn)開裂。EDS成分結(jié)果顯示，未發(fā)現(xiàn)異常污染元素。

圖1 NG焊盤端SEM圖片

表1. NG焊盤表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

NG器件引腳：如圖2和表2所示，引腳表面整體較為平整，表面呈脆性斷裂特征，且呈顆粒狀。EDS成分顯示，斷裂表面主要為Sn元素，說明斷裂發(fā)生在焊點(diǎn)內(nèi)部，而不是焊點(diǎn)界面。

圖2 NG器件引腳表面SEM圖片

表2. NG器件引腳表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

OK PCB焊盤：如圖3和表3所示，將正常焊點(diǎn)器件剝離后，斷裂表面主要為凹坑形的韌窩，表現(xiàn)為大應(yīng)力下的塑性斷裂。通過EDS成分分析，焊盤表面主要成分為Sn，部分位置存在Cu，斷裂位置應(yīng)該靠近界面處。

圖3 OK焊點(diǎn)焊盤表面SEM圖片及EDS能譜圖

表3. OK焊點(diǎn)焊盤表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

OK器件引腳：如圖4和表4所示，正常焊點(diǎn)器件剝離后，引腳表面斷口同樣呈現(xiàn)明顯的韌窩，表現(xiàn)為大應(yīng)力下的塑性斷裂。通過EDS成分分析，引腳表面主要成分為Sn。

圖4 OK焊點(diǎn)器件引腳表面SEM圖片及EDS能譜圖

表4. OK焊點(diǎn)器件引腳表面EDS測(cè)試結(jié)果(Wt%)

由此可見，失效斷口主要呈現(xiàn)脆性斷裂，OK斷口呈現(xiàn)塑性斷裂，對(duì)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。

3 切片分析

為了進(jìn)一步確認(rèn)失效焊點(diǎn)和正常焊點(diǎn)的界面連接情況，分別對(duì)其進(jìn)行切片分析觀察，檢測(cè)結(jié)果如下：

NG焊點(diǎn)：由圖5所示，斷裂位置均位于器件引腳IMC層下方焊料中，且部分NG焊點(diǎn)中焊料存在裂紋。NG焊點(diǎn)引腳整體上錫良好，底部均形成連續(xù)的IMC層，該IMC層的厚度約在1~2μm，說明器件脫落與焊接工藝無關(guān)。NG焊點(diǎn)器件未完全斷裂，焊料沿著引腳與焊料的交角處開裂，且裂紋沿著IMC層下方焊料擴(kuò)展。

圖5 NG焊點(diǎn)切片SEM圖片

OK焊點(diǎn)：由圖6可知，正常焊點(diǎn)中，引腳的整體上錫良好，焊點(diǎn)中存在較大的孔洞，引腳與焊料形成連續(xù)的IMC層；焊料中部分區(qū)域同樣存在開裂情況，且引腳IMC層下方部分位置存在開裂的缺陷，說明OK焊點(diǎn)與NG焊點(diǎn)本質(zhì)上是相同的，只是兩者存在程度上的差異。

圖6 OK焊點(diǎn)切片SEM圖片

4 EBSD分析

分別對(duì)NG焊點(diǎn)和OK焊點(diǎn)的焊料進(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，且焊料中的斷裂形式為沿晶斷裂；圖7所示，OK焊點(diǎn)中焊料的晶粒尺寸亦較為粗大。以上特點(diǎn)均為疲勞開裂的典型特點(diǎn)。

圖7 NG焊點(diǎn)焊料的EBSD分析圖片

圖8 OK焊點(diǎn)中焊料的EBSD分析圖片

5 應(yīng)力分析

圖9是焊點(diǎn)的微區(qū)形貌，從圖中可以看到焊錫與器件引腳之間并不存在圓滑過渡，而是尖角過渡（見紅色圓圈標(biāo)注處），這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中的產(chǎn)生，加上此處本來就要承受較大的應(yīng)力應(yīng)變，所以焊縫內(nèi)側(cè)極易萌生裂紋。除此之外，焊縫內(nèi)部含有較多的空洞，空洞的存在也會(huì)進(jìn)一步加劇焊點(diǎn)開裂，從表面分析來看失效焊點(diǎn)內(nèi)部存在較多的空洞，OK焊點(diǎn)則空洞較少，這延緩了焊點(diǎn)開裂失效的發(fā)生。

圖9 焊點(diǎn)外側(cè)開裂微觀形貌

由以上分析可見，應(yīng)力集中、焊縫內(nèi)空洞過多可以加速焊點(diǎn)疲勞失效，但不是導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞開裂的根本原因，其根本原因是焊點(diǎn)服役過程中所受應(yīng)力應(yīng)變過大所致。

6 綁定點(diǎn)焊接質(zhì)量分析

除了以上的分析，還要注意到此PCBA完全被樹脂所包裹，樹脂的熱膨脹系數(shù)的大小直接關(guān)系到PCB表面焊點(diǎn)所受的應(yīng)變應(yīng)力的大小。

測(cè)試結(jié)果表明，此封裝膠體的熱膨脹系數(shù)較大，膠體較硬，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。

圖10 封裝膠體熱膨脹系數(shù)測(cè)試曲線

結(jié)論

二極管焊點(diǎn)開裂屬于焊點(diǎn)疲勞失效，導(dǎo)致其失效的根本原因在于材料間的熱失配。焊點(diǎn)缺陷較多且存在應(yīng)力集中區(qū)，加速了焊點(diǎn)的疲勞失效進(jìn)程，屬于次要原因。

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