焊點(diǎn)熱疲勞失效原因分析

張 偉 ，王君兆，鄧勝良，馬 聰

（深圳市美信檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，深圳 518000）

焊點(diǎn)熱疲勞失效原因分析

張 偉 ，王君兆，鄧勝良，馬 聰

（深圳市美信檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，深圳 518000）

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(guò)表面觀察、切片分析、EBSD分析、應(yīng)力分析、熱膨脹系數(shù)測(cè)試等手段對(duì)樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明：各封裝材料存在熱失配，且焊點(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。

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路燈電源PCBA，該P(yáng)CBA在使用約半年后出現(xiàn)功能失效，失效比率約10 %，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(pán)為OSP焊盤(pán)。

2 .分析方法簡(jiǎn)述

2.1 外觀檢查（見(jiàn)圖1）

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，脫落后焊盤(pán)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。

對(duì)樣品脫落器件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)表1。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，出現(xiàn)器件脫落主要集中在三個(gè)區(qū)域位置。

2.2 表面SEM+EDS分析（見(jiàn)圖2-5）

圖1 NG樣品外觀檢查圖片

表1 失效樣品脫落器件的位置統(tǒng)計(jì)

為了確認(rèn)失效焊點(diǎn)焊盤(pán)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，現(xiàn)將4種樣品（NG樣品PCB焊盤(pán)；NG樣品器件引腳；OK樣品PCB焊盤(pán)；OK樣品器件引腳）放入SEM中對(duì)其進(jìn)行表面形貌觀察，并用EDS對(duì)其進(jìn)行成分分析。

通過(guò)對(duì)NG樣品PCB焊盤(pán)、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)NG樣品其焊盤(pán)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(shuō)明斷裂并不是簡(jiǎn)單的應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的焊點(diǎn)開(kāi)裂；NG引腳表面整體較為平整，表面呈脆性斷裂特征，且呈顆粒狀，這是很不正常的現(xiàn)象，按常理來(lái)講焊錫斷裂應(yīng)該表現(xiàn)為塑性斷裂。經(jīng)放大觀察和成分分析，斷裂表面主要為Sn，說(shuō)明斷裂發(fā)生在焊點(diǎn)內(nèi)部，而不是焊點(diǎn)界面。

由此可見(jiàn)，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(duì)于焊錫材料自身性能來(lái)講出現(xiàn)塑性斷裂才是其正常表現(xiàn)形式，后續(xù)針對(duì)此項(xiàng)異常進(jìn)行深入分析。此外，失效樣品裂縫沿焊點(diǎn)內(nèi)部擴(kuò)展，而不是常見(jiàn)的焊點(diǎn)界面，后續(xù)分析也將重點(diǎn)關(guān)注。

2.3 切片分析（見(jiàn)圖6）

圖2 NG焊點(diǎn)焊盤(pán)端SEM+EDS

圖3 NG焊點(diǎn)器件端SEM+EDS

圖4 OK焊點(diǎn)焊盤(pán)端SEM+EDS

圖5 OK焊點(diǎn)器件端SEM+EDS

從NG焊點(diǎn)剖面開(kāi)裂形貌，結(jié)合表面分析結(jié)果，可以初步斷定此次失效屬于典型的焊點(diǎn)疲勞開(kāi)裂。焊點(diǎn)疲勞失效是蠕變與疲勞損傷復(fù)合累積的結(jié)果，宏觀上表現(xiàn)為熱疲勞損傷導(dǎo)致在焊料與基板過(guò)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(zhǎng)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。

2.4 EBSD分析

為了分析NG焊點(diǎn)和OK焊點(diǎn)中焊料的晶粒尺寸和裂紋擴(kuò)展斷裂形式，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（裂縫兩側(cè)的晶粒取向完全不同），如圖7所示。此外，未開(kāi)裂部位晶界處存在大量缺陷，表現(xiàn)為取向圖中晶界處存在較多雜點(diǎn)。

2.5 應(yīng)力分析

已有研究結(jié)果表明，在熱疲勞和低周疲勞過(guò)程中，對(duì)材料疲勞行為起主導(dǎo)作用的是結(jié)構(gòu)中的非彈性應(yīng)變。因此，焊點(diǎn)在熱疲勞過(guò)程中的裂紋萌生及擴(kuò)展過(guò)程應(yīng)與焊點(diǎn)中的非彈性應(yīng)變分布密切相關(guān)。

圖6 NG焊點(diǎn)切片SEM圖片

圖7 NG-2焊點(diǎn)焊料的EBSD分析圖片

圖8 焊點(diǎn)在熱循環(huán)過(guò)程中累積的等效非彈性應(yīng)變[3]

采用有限元方法分析焊點(diǎn)在熱疲勞過(guò)程中的非彈性應(yīng)變分布，研究焊點(diǎn)中熱疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展過(guò)程與焊點(diǎn)內(nèi)部非彈性應(yīng)變之間的關(guān)系。數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖8，器件引腳與焊點(diǎn)界面處應(yīng)力應(yīng)變較大，說(shuō)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(kāi)裂的原因。

2.6 熱膨脹系數(shù)測(cè)試（見(jiàn)圖9）

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

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

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，且此PCBA用于電源產(chǎn)品，使用過(guò)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(kāi)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。

3 分析與討論

從焊點(diǎn)開(kāi)裂表面形貌分析可知，焊點(diǎn)開(kāi)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(kāi)裂，EBSD（電子背散射衍射）測(cè)試結(jié)果表明，裂紋屬于沿晶開(kāi)裂，且組織較為粗大。

以上特征表明，二極管焊點(diǎn)開(kāi)裂屬于典型的疲勞開(kāi)裂，其機(jī)理是蠕變與疲勞損傷復(fù)合累積的結(jié)果，宏觀上表現(xiàn)為熱疲勞損傷導(dǎo)致在焊料與基板過(guò)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(zhǎng)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[4]。

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(kāi)裂的正確性[3]。熱膨脹系數(shù)測(cè)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(guò)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(lái)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。

以上種種原因共同作用導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞開(kāi)裂。

圖9 封裝膠體熱膨脹系數(shù)測(cè)試曲線(xiàn)

4 結(jié)論及改善建議

結(jié)論：該二極管焊點(diǎn)開(kāi)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)本身缺陷較多且在引腳近界面處存在應(yīng)力集中區(qū)，多因素加速了焊點(diǎn)的疲勞應(yīng)力失效進(jìn)程。②材料間的熱失配問(wèn)題，導(dǎo)致該焊點(diǎn)工作環(huán)境比其它焊點(diǎn)更惡劣，極易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。

改善建議：

1）重新選擇封裝膠體類(lèi)型，降低膠體所帶來(lái)的內(nèi)應(yīng)力；

2）加強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)，降低電源使用過(guò)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。

[1]王考,陳循,等.QFP焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)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.板極封裝焊點(diǎn)中熱疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展過(guò)程[J].稀有金屬材料與工程, 2010, 39(1).

[4]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).

[5]王考,陳循,等.溫度循環(huán)應(yīng)力剖面對(duì)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).

張偉（1982年－），男，學(xué)士學(xué)位，主要從事電子零部件及電子組裝產(chǎn)品的檢驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)、材料研究、失效分析等方面的研究工作。

Cause Analysis of Thermal Fatigue Failure of Welding Spot

ZHANG Wei, WANG Jun-zhao, DENG Sheng-liang, MA Cong
(Meixin Testing Technology Co., Ltd., Shenzhen 518000)

A PCBA sample has a functional failure after using about six months.After package, the PCBA is overall glued.Some devices directly fall off after peeling failed samples.Samples are analyzed by means of surface morphologic observation, micro cross section inspection, EBSD analysis, stress analysis, thermal expansion coefficient test and so on.The results show that the presence of thermal mismatch of materials, and a large amount of solder joint defects and the stress concentration accelerate solder joint fatigue failure process, which cause functional failure of PCBA.

EBSD; thermal fatigue; stress concentration; thermal mismatch

TB333

A

1004-7204（2016）05-0071-04