PCBA焊點疲勞開裂失效分析

PCBA（Printed Circuit Board Assembly，印刷電路板組裝)電子組裝領域常見的問題是焊點疲勞開裂失效，會降低電子產品的可靠性，甚至導致設備故障。以下是對PCBA焊點疲勞開裂失效的簡要分析:

1. 分析失效原因
熱循環應力：PCBA在工作過程中會經歷溫度變化，導致焊點材料膨脹收縮，產生熱循環應力。
機械應力：由于PCBA組裝過程中操作不當或設計缺陷，焊點處可能產生機械應力。
材料疲勞：在反復應力的作用下，焊點材料逐漸疲勞，導致材料性能下降。
環境因素：濕氣、腐蝕性氣體等環境因素會加速焊點的老化和失效。

2. 失效模式
裂縫萌生：裂縫開始萌生在焊點的應力集中區域，例如焊點邊緣或與焊盤的連接處。
裂縫擴展：隨著應力的持續作用，裂縫逐漸擴大，最終導致焊點斷裂。
焊點脫落：焊點完全斷裂后，可引起部件脫落或電路中斷。

3. 影響因素
材料特性：焊點材料的彈性模量、屈服強度、疲勞壽命等特性對失效有直接影響。
設計參數：焊點的形狀、尺寸、布局等設計參數會影響應力的分布和集中。
制造工藝：焊接溫度、時間、壓力等工藝參數對焊點質量有重要影響。
使用環境：使用環境因素如溫度、濕度、振動等都會影響焊點的耐久性。

4. 預防措施
優化設計：合理設計焊點形狀和布局，減少應力集中，提高焊點承載能力。
改進工藝：采用先進的焊接技術和工藝，保證焊點質量，減少缺陷。
選材：選用具有良好疲勞性能和抗環境侵蝕性能的焊點材料。
環境控制：控制使用環境，減少溫度波動和腐蝕性氣體的影響。

5. 失效分析方法
宏觀檢查：用肉眼或放大鏡檢查焊點的外觀，識別裂紋和斷裂。
使用掃描電子顯微鏡進行微觀分析（SEM）等待設備觀察焊點的微觀結構，分析裂紋擴展路徑。
力學試驗：對焊點的力學性能進行拉伸、彎曲等力學試驗。
環境模擬：模擬實際使用環境，加速老化試驗，預測焊點壽命。
通過對PCBA焊點疲勞開裂失效的分析，可采取相應的預防措施，提高電子產品的可靠性和壽命。

一、PCBA焊點疲勞開裂失效分析案例

某款PCBA，在使用約一年半后出現功能失效。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。對已拆膠失效及相應脫落的器件，進行失效分析，找出失效原因。

二、PCBA焊點疲勞開裂失效分析測試分析

1.外觀檢查

在光學顯微鏡下觀察，發現二極管一焊腳疑似與焊盤發生分離，見下圖：

NG二極管外觀圖

2.金相切片

將樣品鑲嵌制樣，研磨拋光后在顯微鏡下觀察。可見二極管有一側焊腳與焊盤完全分離，另一側焊接未完全分離但已有裂紋產生，焊腳分離位置可見少量孔洞。二極管焊腳爬錫正常，見下圖：

NG二極管金相形貌圖

3.SEM檢查

選擇NG二極管放入電鏡觀察形貌，可見NG二極管焊腳底部存在錫焊料附著，說明錫焊料與焊腳結合良好，開裂發生在錫焊料內部，見下圖：

NG二極管-焊腳1-位置 SEM圖

NG二極管-焊腳2-位置 SEM圖

二極管IMC層厚度測試結果

4.EDS檢查

由EDS測試結果，NG二極管焊腳位置均未見明顯成分異常，見下圖：

NG二極管EDS位置圖

NG二極管EDS譜圖

NG二極管EDS測試結果

三、PCBA焊點疲勞開裂失效分析結論

綜上所述：推測焊點開裂屬于疲勞開裂，與焊點服役過程中的工作溫度，及所承受的應力應變直接相關。PCBA之間存在三防漆堆積、服役運行溫度是影響應力應變程度的核心因素。

四、PCBA焊點疲勞開裂失效分析建議

1.產品熱管理/設計優化，改善PCBA散熱工藝；

2.優化三防漆涂覆工藝。

華南檢測：