【典型案例】焊点疲劳开裂失效分析与改善

  引言      

      焊点可靠性是电子组装可靠性的重要内容，任意一个焊点的失效，都有可能造成器件甚至系统的整体失效。焊点失效通常由各种因素相互作用引发，不同的制造工艺、使用环境所导致的失效机理也有所不同，其主要失效机理包括热致失效、机械应力失效与电化学失效等。

      本文以PCBA焊点失效分析为例，介绍其失效机理与分析方法，并提出改善建议。

一、案例背景

      委托方反馈，PCBA在客户端服役期间出现功能异常，初步分析是由于焊点开裂所致。实验室针对委托方提供的3pcs失效PCBA进行测试分析，查找焊点开裂的原因。

二、分析过程

1. X射线透视观察

      利用X射线对失效PCBA-1#、PCBA-2#焊点结构透视检查，结果如图1~2所示：

      两块失效板在模块固定位置均发现焊点开裂现象，裂纹极为明显，其他区域焊点未发现明显的焊点开裂现象。

图1.PCBA-1# X射线透视照片

图2.PCBA-2# X射线透视照片

2. 外观检查

      为观察异常焊点外观状况，将与模块相连的PCB研磨去除后，利用体视显微镜对器件焊点完整性进行光学观察，结果如图3所示：

      三极管焊点表面存在明显的开裂形貌，开裂位置与X射线观察结果一致。值得注意的是，模块表面存在较多三防漆，且分布极不均匀，特别是失效器件几乎完全被三防漆所覆盖。

图3.失效PCBA-1# 表面焊点完整性外观检查

3. 剥离分析

      为了观察异常焊点内部状况，将焊点剥离后，对剥离界面进行显微分析，结果如图4~5及表1~2所示：

      剥离过程中，异常器件三个焊点轻松被拨开，说明三焊点都存在不同程度开裂现象，焊点强度大幅下降。通过扫描电子显微镜观察，三焊点剥离界面宏观上呈现出较为明显的塑性变形，但微观形貌未观察到典型韧窝形貌；同时，界面处观测到较为明显的晶界，说明晶界发生了弱化现象。而成分测试显示，界面不存在明显异常元素。

      由以上测试结果分析，焊点在服役过程中承受较高的正向应力，应力水平低于焊点自身强度；微观形貌表现与疲劳形貌相似。

图4.PCBA-1#焊点剥离界面（PCB侧）SEM图片及EDS能谱图

     表1.PCBA-1#焊点剥离界面成分测试结果（wt.%）

图5.PCBA-1#焊点剥离界面（引脚侧）SEM图片及EDS能谱图

     表2.PCBA-1#焊点剥离界面成分测试结果（wt.%）

4. 剖面分析

      为观察开裂焊点内部组织特征及结构特征，对PCBA-2#、PCBA-3#相关焊点进行剖面分析，结果如下：

PCBA-2#:

      如图6及表3所示，（a）器件附近三防漆堆积严重，连接模块PCB与载板PCB，其中器件侧三防漆与模块PCB分离；（b）焊点完全开裂，开裂路径位于焊点内部，且焊点在正向应力作用下与下界面分离。

图6.PCBA-2#异常焊点剖面SEM图片及EDS能谱图

表3.PCBA-2#异常焊点成分测试结果（wt.%）

PCBA-3#: 

      如图7（a）-图7（c）所示，剖面位置（Row1）：模块PCBA下表面器件附近三防漆堆积严重，连接了模块PCB与载板PCB，其中器件侧三防漆与模块PCB分离；焊点完全开裂，开裂路径位于焊点内部；模块PCBA上表面器件表面无三防漆堆积，焊点结构完好，无明显裂纹。

图7(a).PCBA-3#焊点剖面(Row1)金相照片

      剖面位置（Row2）：器件附近三防漆同样堆积严重，不同的是三防漆与模块PCB之间界面结合良好，未见明显分离；焊点内部未见明显裂纹。

图7(b).PCBA-3#焊点剖面(Row2)金相照片

      剖面位置（Row3）：三防漆完全包裹器件，三防漆与模块PCB界面存在分离现象；焊点内部存在开裂现象，同时观测到焊点内部存在明显气泡，气泡的存在会弱化焊点强度；电容端电极脱落，说明服役过程中器件电极承受较大的正向应力。

图7(c).PCBA-3#焊点剖面(Row3)金相照片

以上测试结果说明：

      焊点开裂与三防漆堆积存在明显的相关性，同时要注意到，三防漆与模块PCB界面结合较差，存在明显分离；焊点裂纹路径位于焊点内部，这主要与服役过程中焊点内部的应力应变分布区域相关；模块PCBA上表面焊点结构完好，未观测到开裂。

三、总结

      本案件为PCBA在客户端服役期间出现功能异常，由于焊点开裂所致。

      测试结果显示，裂纹路径位于焊点内部，焊点开裂界面分离，说明焊点在服役过程中承受较大程度的正向应力；焊点开裂界面形貌无明显韧窝，观测到明显晶界弱化，这些特征与焊点疲劳失效特征完全吻合。

      此外，发现失效焊点均具有极强的规律性：所有开裂焊点均位于模块PCBA的下表面，失效器件附近均堆积有大量三防漆，三防漆连接了模块PCB与载板PCB，且三防漆与模块PCB界面结合较差，界面明显分离。

      三防漆的堆积会放大材料间热失配问题，三防漆与模块PCB界面分离导致内应力直接加载在焊点上，周期性的内应力是诱发焊点疲劳的直接原因；三防漆与与模块PCB界面结合良好，则焊点并未出现疲劳裂纹。当然，也要注意到个别器件内部空洞率较高，这在一定程度上也会降低焊点的强度，弱化焊点的抗疲劳性能。

      焊点发生疲劳失效的直接原因是周期性的应力应变，影响周期性的应力应变的因素有哪些呢？

      1.PCBA板卡服役温度，服役温度与应力应变大小直接相关，服役温度越高，应力应变的程度越大，焊点越容易发生疲劳失效；

      2.结构因素，本案中三防漆堆积严重，且连接了载板PCB与模块PCB，这种结构必然在服役过程中放大了材料间热性能差异带来的影响，特别是模块侧三防漆与PCB结合不良，导致焊点独自承受应力应变。

四、结论与建议

      焊点开裂属于典型的疲劳开裂，与焊点服役过程中所承受的应力应变直接相关。模块与载板PCBA之间异常的三防漆堆积、服役运行温度是影响应力应变程度的核心因素。

      改善建议：1.产品热管理/设计优化，降低服役温度；2.优化三防漆涂覆工艺，例如先做三防，再做子母板的互连工艺，防止模块与载板PCBA之间发生三防漆的异常堆积。

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