原来是它导致焊点在半年后就出现疲劳失效！

引言

某款路灯电源PCBA，在使用约半年后出现功能失效。该PCBA在封装后会进行整体灌胶，将失效的胶剥离后，发现部分器件出现直接脱落现象，脱落的器件均为二极管，PCB焊盘为OSP焊盘。对已拆胶失效及相应脱落的器件，未拆胶失效，进行失效分析，找出失效原因。

测试分析

1 外观检查

对失效和脱落后的二极管进行外观检查，发现脱落后的焊盘端和二极管引脚端未发现明显的异常污染现象，正常焊点成型良好。

2 表面SEM+EDS分析

失效焊点焊盘端、失效二极管引脚端的表面形貌及成分，同时与良好的二极管焊点（将引脚进行剥离）进行对比，检测结果如下：

NG PCB焊盘：如图1和表1所示，焊盘表面存在较多孔洞，焊点表面较为平整，且未发现明显塑性断裂韧窝，说明断裂并非应力过大导致的焊点开裂。EDS成分结果显示，未发现异常污染元素。

图1 NG焊盘端SEM图片

表1. NG焊盘表面EDS测试结果(Wt%)

NG器件引脚：如图2和表2所示，引脚表面整体较为平整，表面呈脆性断裂特征，且呈颗粒状。EDS成分显示，断裂表面主要为Sn元素，说明断裂发生在焊点内部，而不是焊点界面。

图2 NG器件引脚表面SEM图片

表2. NG器件引脚表面EDS测试结果(Wt%)

OK PCB焊盘：如图3和表3所示，将正常焊点器件剥离后，断裂表面主要为凹坑形的韧窝，表现为大应力下的塑性断裂。通过EDS成分分析，焊盘表面主要成分为Sn，部分位置存在Cu，断裂位置应该靠近界面处。

图3 OK焊点焊盘表面SEM图片及EDS能谱图

表3. OK焊点焊盘表面EDS测试结果(Wt%)

OK器件引脚：如图4和表4所示，正常焊点器件剥离后，引脚表面断口同样呈现明显的韧窝，表现为大应力下的塑性断裂。通过EDS成分分析，引脚表面主要成分为Sn。

图4 OK焊点器件引脚表面SEM图片及EDS能谱图

表4. OK焊点器件引脚表面EDS测试结果(Wt%)

由此可见，失效断口主要呈现脆性断裂，OK断口呈现塑性断裂，对于焊锡材料自身性能来讲出现塑性断裂才是其正常表现形式。

3 切片分析

为了进一步确认失效焊点和正常焊点的界面连接情况，分别对其进行切片分析观察，检测结果如下：

NG焊点：由图5所示，断裂位置均位于器件引脚IMC层下方焊料中，且部分NG焊点中焊料存在裂纹。NG焊点引脚整体上锡良好，底部均形成连续的IMC层，该IMC层的厚度约在1~2μm，说明器件脱落与焊接工艺无关。NG焊点器件未完全断裂，焊料沿着引脚与焊料的交角处开裂，且裂纹沿着IMC层下方焊料扩展。

图5 NG焊点切片SEM图片

OK焊点：由图6可知，正常焊点中，引脚的整体上锡良好，焊点中存在较大的孔洞，引脚与焊料形成连续的IMC层；焊料中部分区域同样存在开裂情况，且引脚IMC层下方部分位置存在开裂的缺陷，说明OK焊点与NG焊点本质上是相同的，只是两者存在程度上的差异。

图6 OK焊点切片SEM图片

4 EBSD分析

分别对NG焊点和OK焊点的焊料进行EBSD（电子背散射衍射）分析，发现NG焊点中焊料的晶粒尺寸较为粗大，且焊料中的断裂形式为沿晶断裂；图7所示，OK焊点中焊料的晶粒尺寸亦较为粗大。以上特点均为疲劳开裂的典型特点。

图7 NG焊点焊料的EBSD分析图片

图8 OK焊点中焊料的EBSD分析图片

5 应力分析

图9是焊点的微区形貌，从图中可以看到焊锡与器件引脚之间并不存在圆滑过渡，而是尖角过渡（见红色圆圈标注处），这会导致应力集中的产生，加上此处本来就要承受较大的应力应变，所以焊缝内侧极易萌生裂纹。除此之外，焊缝内部含有较多的空洞，空洞的存在也会进一步加剧焊点开裂，从表面分析来看失效焊点内部存在较多的空洞，OK焊点则空洞较少，这延缓了焊点开裂失效的发生。

图9 焊点外侧开裂微观形貌

由以上分析可见，应力集中、焊缝内空洞过多可以加速焊点疲劳失效，但不是导致焊点疲劳开裂的根本原因，其根本原因是焊点服役过程中所受应力应变过大所致。

6 绑定点焊接质量分析

除了以上的分析，还要注意到此PCBA完全被树脂所包裹，树脂的热膨胀系数的大小直接关系到PCB表面焊点所受的应变应力的大小。

测试结果表明，此封装胶体的热膨胀系数较大，胶体较硬，此PCBA用于电源产品，使用过程中必然经受较高的温度，在不断的高低温循环条件下，焊点极易产生疲劳开裂。

图10 封装胶体热膨胀系数测试曲线

结论

二极管焊点开裂属于焊点疲劳失效，导致其失效的根本原因在于材料间的热失配。焊点缺陷较多且存在应力集中区，加速了焊点的疲劳失效进程，属于次要原因。

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