原來是它導致焊點在半年后就出現疲勞失效！

引言

某款路燈電源PCBA，在使用約半年后出現功能失效。該PCBA在封裝后會進行整體灌膠，將失效的膠剝離后，發現部分器件出現直接脫落現象，脫落的器件均為二極管，PCB焊盤為OSP焊盤。對已拆膠失效及相應脫落的器件，未拆膠失效，進行失效分析，找出失效原因。

測試分析

1 外觀檢查

對失效和脫落后的二極管進行外觀檢查，發現脫落后的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。

2 表面SEM+EDS分析

失效焊點焊盤端、失效二極管引腳端的表面形貌及成分，同時與良好的二極管焊點（將引腳進行剝離）進行對比，檢測結果如下：

NG PCB焊盤：如圖1和表1所示，焊盤表面存在較多孔洞，焊點表面較為平整，且未發現明顯塑性斷裂韌窩，說明斷裂并非應力過大導致的焊點開裂。EDS成分結果顯示，未發現異常污染元素。

圖1 NG焊盤端SEM圖片

表1. NG焊盤表面EDS測試結果(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，說明斷裂發生在焊點內部，而不是焊點界面。

圖2 NG器件引腳表面SEM圖片

表2. NG器件引腳表面EDS測試結果(Wt%)

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

圖3 OK焊點焊盤表面SEM圖片及EDS能譜圖

表3. OK焊點焊盤表面EDS測試結果(Wt%)

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

圖4 OK焊點器件引腳表面SEM圖片及EDS能譜圖

表4. OK焊點器件引腳表面EDS測試結果(Wt%)

由此可見，失效斷口主要呈現脆性斷裂，OK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。

3 切片分析

為了進一步確認失效焊點和正常焊點的界面連接情況，分別對其進行切片分析觀察，檢測結果如下：

NG焊點：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焊點中焊料存在裂紋。NG焊點引腳整體上錫良好，底部均形成連續的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。NG焊點器件未完全斷裂，焊料沿著引腳與焊料的交角處開裂，且裂紋沿著IMC層下方焊料擴展。

圖5 NG焊點切片SEM圖片

OK焊點：由圖6可知，正常焊點中，引腳的整體上錫良好，焊點中存在較大的孔洞，引腳與焊料形成連續的IMC層；焊料中部分區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焊點與NG焊點本質上是相同的，只是兩者存在程度上的差異。

圖6 OK焊點切片SEM圖片

4 EBSD分析

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

圖7 NG焊點焊料的EBSD分析圖片

圖8 OK焊點中焊料的EBSD分析圖片

5 應力分析

圖9是焊點的微區形貌，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（見紅色圓圈標注處），這會導致應力集中的產生，加上此處本來就要承受較大的應力應變，所以焊縫內側極易萌生裂紋。除此之外，焊縫內部含有較多的空洞，空洞的存在也會進一步加劇焊點開裂，從表面分析來看失效焊點內部存在較多的空洞，OK焊點則空洞較少，這延緩了焊點開裂失效的發生。

圖9 焊點外側開裂微觀形貌

由以上分析可見，應力集中、焊縫內空洞過多可以加速焊點疲勞失效，但不是導致焊點疲勞開裂的根本原因，其根本原因是焊點服役過程中所受應力應變過大所致。

6 綁定點焊接質量分析

除了以上的分析，還要注意到此PCBA完全被樹脂所包裹，樹脂的熱膨脹系數的大小直接關系到PCB表面焊點所受的應變應力的大小。

測試結果表明，此封裝膠體的熱膨脹系數較大，膠體較硬，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。

圖10 封裝膠體熱膨脹系數測試曲線

結論

二極管焊點開裂屬于焊點疲勞失效，導致其失效的根本原因在于材料間的熱失配。焊點缺陷較多且存在應力集中區，加速了焊點的疲勞失效進程，屬于次要原因。

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