王君兆，鄧勝良，馬聰

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摘要：某PCBA樣品在使用約半年后出現功能失效，該PCBA在封裝后進行整體灌膠，將失效樣品剝離，發現部分器件直接脫落，通過表面觀察、切片分析、EBSD分析、應力分析、熱膨脹系數測試等手段對樣品進行分析，結果表明：各封裝材料存在熱失配，焊點缺陷較多且存在應力集中區，加速焊點的疲勞失效進程，導致PCBA功能失效。

關鍵詞：EBSD；熱疲勞；應力集中；熱失配

1 案例背景

失效樣品為封裝后整體灌膠的PCBA，該PCBA在使用約半年后出現功能失效，將失效樣品的膠剝離后，發現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焊盤為OSP焊盤。

2 分析方法簡述

2.1 外觀檢查

將送檢樣品進行剝膠處理后，發現確實存在器件脫落現象，脫落器件均為二極管器件，且主要集中在三個區域位置，脫落后焊盤端和二極管引腳端未發現明顯的異常污染現象，正常焊點成型良好。

圖1 NG樣品外觀檢查圖片 a)焊盤端 b)器件端

2.2 表面SEM+EDS分析

通過對NG樣品PCB焊盤、NG樣品器件引腳，以及OK樣品相應位置進行分析，發現失效樣品斷口主要呈現脆性斷裂，OK樣品斷口呈現塑性斷裂，對于焊錫材料自身性能來講出現塑性斷裂才是其正常表現形式，此外，失效樣品裂縫沿焊點內部擴展，而不是常見的焊點界面。

圖2 NG焊點焊盤端SEM+EDS

圖3 NG焊點器件端SEM+EDS

圖4 OK焊點焊盤端SEM+EDS

圖5 OK焊點器件端SEM+EDS

2.3 切片分析

通過對失效焊點和正常焊點進行切片分析，發現器件脫落的斷裂位置位于器件引腳IMC層下方焊料中，且部分NG焊點中焊料存在裂紋。從NG焊點剖面開裂，及表面分析結果可以初步斷定此次失效屬于典型的焊點疲勞開裂。

圖6 NG焊點切片SEM圖片

2.4 EBSD分析

通過對失效焊點進行EBSD（電子背散射衍射）分析，發現NG焊點中焊料的晶粒尺寸較為粗大，焊料中的斷裂形式為沿晶斷裂。

圖7 NG-2焊點焊料的EBSD分析圖片 a)晶界圖 b)取向圖

2.5 應力分析

器S件引腳與焊點界面處應力應變較大，說明此處是失效多發區域，這也解釋了為什么裂紋沿器件引腳近界面處開裂的原因。

圖8 焊點在熱循環過程中累積的等效非彈性應變

2.6 熱膨脹系數測試

測試條件：在N2環境中，以5℃/min的速率從-70℃升溫到160℃。

測試結果：溫度區間為23℃~123℃，CTE測試結果為181.7 ppm/℃。

測試結果表明，此封裝膠體的熱膨脹系數較大，膠體較硬，且此PCBA用于電源產品，使用過程中必然經受較高的溫度，在不斷的高低溫循環條件下，焊點極易產生疲勞開裂。此外，二極管本身也存在功耗，焊點服役環境相比其他器件焊點會更加惡劣，所以二極管焊點失效概率必然較大。

圖9 封裝膠體熱膨脹系數測試曲線

3 分析與討論

從焊點開裂表面形貌分析可知，焊點開裂屬于脆性斷裂；切片分析可知，裂紋沿器件引腳近界面處萌生和開裂，EBSD（電子背散射衍射）測試結果表明，裂紋屬于沿晶開裂，且組織較為粗大。

以上特征表明，二極管焊點開裂屬于典型的疲勞開裂，其機理是蠕變與疲勞損傷復合累積的結果^[1]，宏觀上表現為熱疲勞損傷導致在焊料與基板過渡區（即高應力區）產生初始裂紋，然后逐漸沿近界面擴展至整個焊點長度；微觀上表現為熱疲勞斷口表面有微空洞和蠕變沿晶界斷裂的痕跡^[2-3]。

力學分析表明，器件引腳附近的應力應變較大，與實際失效位置完全一致，驗證了焊點疲勞開裂的正確性。熱膨脹系數測試結果表明，PCBA外圍的封裝膠體CTE高達181.7 ppm/℃，而電源產品在使用過程中必然產生高溫（二極管本身存在一定功耗，會加劇溫升），間歇性使用所帶來的溫度循環會導致焊點低周疲勞，封裝膠與器件、PCB間的熱失配會進一步加劇疲勞進程。同時，焊點本身存在較多缺陷，抗疲勞能力下降^[4-5]。

以上種種原因共同作用導致焊點疲勞開裂。

4 結論

二極管焊點開裂屬于焊點疲勞失效，導致其失效的原因為：①焊點缺陷較多且存在應力集中區，加速焊點的疲勞失效進程。②材料間的熱失配。

5 建議

（1）重新選擇封裝膠體類型，降低膠體所帶來的內應力；

（2）加強散熱設計，降低電源使用過程中的溫度；

（3）優化焊接工藝，盡量減少焊接缺陷及應力集中。

6 參考文獻

[1] 王考, 陳循等. QFP焊點形態預測及可靠性分析[J], 強度與環境, 2004, 31(1).

[2] 盛重, 薛松柏等. QFP器件微焊點熱疲勞行為分析[J], 焊接學報, 2009, 30(12).

[3] 林健, 雷永平等. 電子電路中焊點的熱疲勞裂紋擴展規律[J], 機械工程學報, 2010, 46(6).

[4] 林健, 雷永平等. 板極封裝焊點中熱疲勞裂紋的萌生及擴展過程[J], 稀有金屬材料與工程, 2010, 39(1).

[5] 王考, 陳循等. 溫度循環應力剖面對QFP焊點熱疲勞壽命的影響[J], 計算力學學報, 2005, 22(2).