引言

 

PCBA在生產(chǎn)、運輸、使用過程中,會受到各種應(yīng)力，當PCBA受力過載時，就會導(dǎo)致開裂、短路、燒毀等失效問題發(fā)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(fā)生失效，表現(xiàn)為電源模塊燒毀。現(xiàn)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(jié)果顯示：

（1）NG1樣品上有明顯的燒毀現(xiàn)象且有明顯的燒毀路徑，燒毀主要集中在正面區(qū)域，正面元件有明顯燒熔及脫落的現(xiàn)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(xiàn)象，應(yīng)為綠油刮掉后露出內(nèi)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(qū)域及對燒毀區(qū)域進行CT掃描及虛擬切片。

如外觀檢查所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，失效樣品燒毀區(qū)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(nèi)部鍵合完整，未發(fā)現(xiàn)明顯的燒毀現(xiàn)象，其他區(qū)域走線都未發(fā)現(xiàn)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(jié)合外觀、Xray檢測結(jié)果和電路圖及PCBA板圖，發(fā)現(xiàn)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(cè)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(jīng)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(qū)域及對相關(guān)區(qū)域進行EDS成分分析。SEM形貌觀察發(fā)現(xiàn)失效樣品有明顯的燒毀路徑，如電路分析的結(jié)果一致，都與54V輸入端有關(guān)，EDS成分分析發(fā)現(xiàn)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(jié)果顯示：失效樣品上芯片引腳間半導(dǎo)體特性未發(fā)現(xiàn)明顯短路的現(xiàn)象，且開封后未發(fā)現(xiàn)芯片內(nèi)部有明顯燒毀的現(xiàn)象，說明失效樣品上芯片未發(fā)生明顯失效。

 

圖7. 失效樣品上芯片引腳間半導(dǎo)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(xiàn)象，電容附近的PCBA燒毀形貌也顯示從表面向內(nèi)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(xù)上電；

模擬結(jié)果說明：當PC3電容受損，絕緣電阻變小，上電瞬間小板出現(xiàn)電容燃燒現(xiàn)象，燃燒熄滅后的電容內(nèi)部短路位置殘留物依舊致使燒毀區(qū)域電路絕緣性能下降成低阻狀態(tài)，持續(xù)大電流導(dǎo)致PCB銅皮長時間發(fā)熱燒毀。模擬試驗1后樣品燒毀形貌和區(qū)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(dǎo)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(xù)上電。

模擬結(jié)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(xiàn)電容燃燒現(xiàn)象，燃燒熄滅后的電容內(nèi)部短路位置殘留物依舊致使燒毀區(qū)域電路絕緣性能下降成低阻狀態(tài)，持續(xù)大電流導(dǎo)致PCB銅皮長時間發(fā)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(jié)分析

 

結(jié)合外觀、Xray檢測結(jié)果和電路圖分析，發(fā)現(xiàn)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(cè)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(qū)域的元器件大部分因燒毀或脫焊掉落，EDS成分分析燒毀區(qū)域未發(fā)現(xiàn)有異常腐蝕性元素基板排除腐蝕導(dǎo)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(dǎo)體特性曲線未發(fā)現(xiàn)異常，開封后也未發(fā)現(xiàn)芯片內(nèi)部有明顯燒毀的現(xiàn)象，因此失效樣品燒毀可能與PC1、PC4、PC370電容有關(guān)；

 

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(zhuǎn)后，進行上電試驗，發(fā)現(xiàn)電源模塊起火燒毀，在持續(xù)的通電過程中有火花產(chǎn)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(xiàn)燒毀現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)燒毀現(xiàn)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(xù)大電流發(fā)熱，整個電路銅箔燒毀，留下嚴重的燒毀痕跡。

 

陶瓷電容內(nèi)部為層疊電極結(jié)構(gòu)，在受到外部應(yīng)力，如板彎變形、機械撞擊等應(yīng)力時，就會產(chǎn)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(qū)域?qū)?dǎo)致電容絕緣性能下降。

 

設(shè)備正常使用中，設(shè)備本身發(fā)熱高，外部水汽無法進入。當停電時，設(shè)備冷卻，外部水汽就會沿著裂紋進入電容內(nèi)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(dǎo)致電容內(nèi)部低阻甚至短路失效。電容短路會導(dǎo)致電源輸入端和地短路，持續(xù)供電情況下持續(xù)燒毀，最終導(dǎo)致后續(xù)燒毀失效的發(fā)生。

 

圖10. 電容裂紋失效導(dǎo)致燒毀失效機理

 

四、結(jié)論與建議

 

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

 

改善建議

1. 進行板級組裝和裝配過程應(yīng)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(fā)生嚴重燒毀現(xiàn)象。

 

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