電路板焊點(diǎn)的常見(jiàn)失效模式及原理分析

一、界面失效

1.界面失效的特征界面失效的特征是：焊點(diǎn)的電氣接觸不良或微裂紋發(fā)生在焊盤(pán)和釬料相接觸的界面層上，如圖1、圖2所示。

圖1界面失效焊點(diǎn)（1）

圖2 界面失效焊點(diǎn)（2）

2.界面失效機(jī)理（1）虛焊。（2）冷焊。（3）不合適的IMC層。

二、釬料疲勞失效

1、釬料疲勞失效特征焊點(diǎn)釬料疲勞失效的特征是：微裂紋或斷裂位置都是發(fā)生在釬料體的內(nèi)部或IMC附近，按其發(fā)生的位置常見(jiàn)的有3種：① PCB焊盤(pán)側(cè)釬料體疲勞裂紋，如圖3。

圖3

② 釬料體的主裂紋發(fā)生在芯片側(cè)，如圖4所示。

圖4

③ PCB基板側(cè)和芯片側(cè)同時(shí)出現(xiàn)釬料體疲勞裂紋，如圖5所示。

圖5

焊點(diǎn)釬料疲勞失效是由于工作環(huán)境中存在著隨機(jī)振動(dòng)、正弦振動(dòng)、載荷沖擊、溫度沖擊與循環(huán)等的周期性循環(huán)外力作用的結(jié)果。這種環(huán)境條件是普遍存在的，特別是在航天、航空、航海、車(chē)載等電子產(chǎn)品中尤為明顯。表面貼裝器件，焊點(diǎn)承擔(dān)了電氣的、熱學(xué)的及機(jī)械連接等多重作用，并且一直是可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。焊點(diǎn)受損原因以熱循環(huán)誘發(fā)最為常見(jiàn)，而徐變和應(yīng)力松弛則是循環(huán)受損的主因，如圖6所示。材料徐變一般在溫度高于絕對(duì)熔化溫度的0.6倍（Tk/Tkm＞0.6）時(shí)出現(xiàn)。

2.釬料疲勞失效機(jī)理焊點(diǎn)因熱循環(huán)受損的常見(jiàn)原因如下：●器件與PCB間的整體CTE失配，誘發(fā)各種應(yīng)力；●器件和PCB在厚度方向與表面區(qū)域出現(xiàn)溫度梯度；●附著于元器件與PCB之間的釬料局部CTE失配。減少元器件與PCB的CTE失配，即減少熱循環(huán)受損情況。對(duì)帶外部引腳的表面貼裝元器件來(lái)說(shuō)，柔性的引腳已使CTE失配問(wèn)題有所緩解。而面陣列封裝中球的剛性給可靠性帶來(lái)了不利的影響。實(shí)驗(yàn)表明BGA的故障不是出現(xiàn)在球與封裝之間，就是出現(xiàn)在球與PCB焊盤(pán)之間。與界面失效相反，所有這些失效的焊點(diǎn)主要是由于釬料疲勞引發(fā)的。

三、張力載荷引起蠕變斷裂

1.張力載荷引起蠕變斷裂的特征張力載荷引起蠕變斷裂的特征是：裂縫或斷裂面通常都發(fā)生在截面面積比較小、抗拉強(qiáng)度最脆弱的橫斷面上，有的甚至還發(fā)生在焊盤(pán)銅箔與PCB基材之間，如圖7所示。

圖7張力載荷引起蠕變斷裂

2.張力載荷引起蠕變斷裂機(jī)理對(duì)大多數(shù)便攜式電子產(chǎn)品，如移動(dòng)電話、呼機(jī)、PDA等，相對(duì)于環(huán)境溫度的變化都不是非常嚴(yán)酷的，且其極限溫度范圍也較小，使用壽命也相對(duì)較短（3～5年）。因此，在此類(lèi)產(chǎn)品中，焊點(diǎn)通常不會(huì)因熱循環(huán)而失效，相反，PCB的彎曲將是失效的主要原因。四、彎曲試驗(yàn)常見(jiàn)的失效1.彎曲試驗(yàn)常見(jiàn)的失效特征（1）失效模式①。在失效模式①中（見(jiàn)圖7中①），PCB焊盤(pán)從層壓板內(nèi)部剝離，通常還有少量的環(huán)氧樹(shù)脂保留在焊盤(pán)上。一旦焊盤(pán)被剝離，它就能夠在PCB彎曲時(shí)自由地上下移動(dòng)，從而引起PCB導(dǎo)線最終的疲勞斷裂。進(jìn)行染色-剝離失效分析后，失效模式①的照片如圖8所示。在焊盤(pán)下的層壓板中心有染色劑沾染，說(shuō)明失效發(fā)生在焊點(diǎn)從PCB上剝離之前。該失效模式一般出現(xiàn)在最?lèi)毫樱ㄗ畲笮巫儯┑膹澢鷾y(cè)試條件下。

圖8 失效模式①的斷面染色

（2）失效模式②。該失效模式是因PCB的導(dǎo)線斷裂（見(jiàn)圖7中②）造成的。焊盤(pán)未從層壓板內(nèi)部剝離，印制線疲勞和裂縫出現(xiàn)在阻焊膜開(kāi)孔區(qū)附近。這種失效模式使用染色-剝離技術(shù)是很難發(fā)現(xiàn)的。（3）失效模式③。它是PCB焊盤(pán)附近的釬料疲勞失效（見(jiàn)圖7中③）?？梢源_認(rèn)的是：裂縫最初出現(xiàn)在PCB導(dǎo)線端頭處焊盤(pán)的外邊緣，這個(gè)連接區(qū)域是由阻焊膜界定的（在焊盤(pán)的側(cè)壁周?chē)鷽](méi)有釬料層）。經(jīng)染色-剝離失效分析后的失效模式③如圖9所示，其橫截面如圖10所示。若PCB上只有OSP涂層，則不存在界面失效。而對(duì)ENIG Au/Ni涂層的 PCB，在焊盤(pán)界面上有可能觀察到界面失效。

圖9 失效模式③的斷面染色

圖10 失效模式③的橫截面

（4）失效模式④。該模式是在器件界面附近的釬料疲勞（見(jiàn)圖7中④），如圖11所示。在大多數(shù)情況下，當(dāng)器件上的焊盤(pán)比PCB焊盤(pán)大時(shí)，則很少觀察到這種失效模式。而當(dāng)PCB焊盤(pán)尺寸比器件焊盤(pán)尺寸大時(shí)，則常見(jiàn)。

圖11 失效模式④的斷裂面通常失效模式

①和②發(fā)生在最高應(yīng)力條件下，模式③和④發(fā)生在較低應(yīng)力條件下。隨著PCB導(dǎo)線尺寸的減小，模式②就更為普遍。另外，如果SMT加工后，PCBA被多次處理過(guò)，那么失效模式①和②也容易發(fā)生。2.彎曲試驗(yàn)失效機(jī)理PCB的局部彎曲可能引起蠕變斷裂，蠕變斷裂可能發(fā)生在產(chǎn)品工廠組裝后的幾天甚至幾年之后。失效的形成原因是：（1）安裝結(jié)構(gòu)缺陷。造成彎曲也許只是因?yàn)橐粋€(gè)將PCB固定到機(jī)箱上的螺釘，由于張力載荷導(dǎo)致焊點(diǎn)釬料蠕變，在固定螺釘附近的元器件的焊點(diǎn)會(huì)逐漸失效并最終斷裂。（2）按鍵壓力引起彎曲而導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。PCB彎曲時(shí)焊點(diǎn)失效的發(fā)生是因?yàn)榘存I壓力的作用，大多數(shù)產(chǎn)品都是將鍵盤(pán)區(qū)和PCB上的鍍金部分相聯(lián)系。每次，當(dāng)一個(gè)鍵被壓下時(shí)，PCB就將會(huì)發(fā)生變形，變形的幅度和在焊點(diǎn)上產(chǎn)生的應(yīng)力，取決于產(chǎn)品的整體機(jī)械設(shè)計(jì)。在一個(gè)移動(dòng)電話的壽命期內(nèi)，由于按鍵導(dǎo)致的PCB彎曲的次數(shù)可能會(huì)達(dá)到幾十萬(wàn)次。（3）應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生焊點(diǎn)疲勞失效。第三種彎曲失效機(jī)理發(fā)生在便攜式產(chǎn)品掉到地上時(shí)，導(dǎo)致PCB劇烈振動(dòng)，在元器件焊點(diǎn)上引起應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)由于應(yīng)力過(guò)大或焊點(diǎn)疲勞而產(chǎn)生失效。隨著細(xì)間距球柵陣列封裝（BGA）和芯片級(jí)封裝（CSP）的普遍應(yīng)用，PCB的彎曲成了便攜式產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵因素。因此，人們不得不采用環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑，對(duì)上述封裝器件進(jìn)行底部填充來(lái)提高可靠性，抑制焊點(diǎn)失效。