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【技术帖】发动机用PCB的失效分析研究

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发表于 2021-6-11 13:31 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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摘 要:PCB广泛用于集成电路生产业的各个方面,汽车发动机用PCB要求较高的可靠性。面对热循环失效的汽车动力系统的构件,不要急于取下所有元件,应先对失效点表面进行外观检查和EDX分析,再进行带元件的切片分析和SEM分析,确认各个点的IMC是否正常,以找出真正的失效原因。
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关键词:汽车发动机用电路板;失效分析;EDX分析;切片;SEM分析;介面合金共化物
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  PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽,已成为电子信息产品最为重要的部分,其质量好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。
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! n- k9 \. c% d+ j  汽车用PCB方面,由于汽车的特殊工作环境、安全性和大电流等要求特点,因此对PCB的性能要求很高,汽车用PCB特别强调高可靠性和低DPPM(极低的产品不良率)。本文针对汽车用PCB的失效分析做了研究。
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1 PCB的失效分析
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" q" m" C  q7 u" o1 m# J; [& K; V9 r# w  PCB在生产和应用过程中存在大量的失效问题,其中有的与材料本身的热性能或稳定性有关,有的与PCB生产的异常有关,有的与焊接在PCB上的元件失效有关,并因此引发了许多的质量纠纷。为了弄清楚失效的原因,以便找到解决办法,且分清责任,必须对所发生的失效案例进行失效分析。: a+ b4 T( G/ d, I  J

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0 }" l" [  p/ u  而应用于汽车动力系统的电路板,是电控系统的核心构件,由于动力控制系统靠近或贴近发动机,其所有构件都会承受高温,而汽车动力系统也必须适应严寒气候,其所有构件应能承受低温。为此,汽车动力系统的电路板需承受苛刻的正负温循环测试。对在正负温循环测试失效的PCB,更需要进行详细的失效分析。本文引用一个实例来做说明。: [1 V- k8 S/ ^0 v( n' G

- K. }' }2 A8 H; E$ I( w) p
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  1.1 失效点
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1 s* n. A4 l: @, A* W. }  此失效构件为汽车动力系统的一部分,PCB完成组装后,整个构件送入实验箱进行热循环测试,热循环测试条件是-40 ℃ / +125 ℃。失效发生在热循环测试中,在100个循环后,经电测试,发现失效区域的阻值过大。失效区域如图1所示。/ c& ]( w3 r2 u4 y  Z
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  1.2 外观分析9 y6 @* L- y) y" ^' \. _5 S
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; H! c. ~7 ?: f2 K; D/ ^  从外观检查得知,电镀通孔和接插元件是焊接的。图1中左图是热循环后的失效点外观,焊接处有裂纹;图1中右图是该失效点在补焊后的外观,焊料收缩,孔环有铜面露出。这说明该失效点在装配中发生了虚焊。5 ^& M) H5 F. d, g# O: H
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1 d$ C3 e* }0 d4 i  1.3 EDX分析失效点表面
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  先用EDX(Energy Dispersive X-ray Apparatus,能谱联合分析仪)分析电镀通孔的孔环是否有污染。电镀通孔的孔环表面主要为铜,沾有少量锡铅焊料,碳和氧系空气影响。电镀通孔的孔环表面无污染。) ^/ `+ N: u1 {; b

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2 Z' w& @& D9 O; }: u( h2 D: F* |8 h5 j* ^# M$ ]
  1.4 切片和SEM分析
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  虚焊到底是该PCB的电镀通孔有问题引起的?还是接插元件有问题引起的?接下来,需对该失效点进行切片和SEM(Scanning Electron Microscopy,扫描电子显微镜)分析。6 E& A1 z3 ]7 \: i# e. B* x

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  焊接动作之所以能够焊牢,最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC(Intermetallic Compound,介面合金共化物),广义上是指某些金属相互紧密接触之介面间,会产生一种原子迁移互动的行为,组成一层类似合金的“化合物”;狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。
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4 ]5 }6 F8 Q# O; h0 }  a
  该PCB的表面处理是OSP,该失效点为电镀铜通孔,接插元件的材质也是铜。所以可以通过SEM分析来观察铜锡之间的共化物IMC是否正常。' c- a3 E- O7 `* O3 i. F

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& l- |. @/ h  Y, b8 E  电镀铜通孔孔口处的铜锡之间的共化物IMC形态正常。图3为电镀铜通孔孔壁处的铜锡之间的共化物IMC形态正常。图4为接插元件引脚上的铜锡之间的共化物,IMC厚2.589 μm,但附近焊料有空洞,一些空洞渗入IMC,IMC的形态不正常。9 V, A: b( h$ b/ y4 m$ ]

, `  l( |0 F) U. Y: h! j7 H2 J2 结论  n6 s! n' v1 L! Z0 D' w
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9 S/ v2 t& L" j- Q  由以上分析可知:先进行外观检查,该失效点在装配中发生了虚焊;然后用EDX分析电镀通孔的孔环表面,电镀通孔的孔环无污染;最后进行破坏性分析——切片,经SEM对切片断面共化物IMC的确认,焊接失效是发生在接插元件引脚上,而非PCB上。
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$ y' z( c% P7 }0 s, @8 y: N  H! m6 a# {9 V  面对热循环失效的汽车动力系统的构件,不要急于取下所有元件或做破坏性分析,应先对失效点表面进行外观检查和EDX分析,再进行带元件的切片和SEM分析,确认各个点的IMC是否正常,以找出真正的失效原因。" P+ K0 t! e! P6 A( ~

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2#
发表于 2021-6-11 14:01 | 只看该作者
PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽,已成为电子信息产品最为重要的部分,其质量好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。
  • TA的每日心情
    开心
    2019-11-21 15:51
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    [LV.1]初来乍到

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    发表于 2021-6-11 14:19 | 只看该作者
    焊接动作之所以能够焊牢,最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC(Intermetallic Compound,介面合金共化物),广义上是指某些金属相互紧密接触之介面间,会产生一种原子迁移互动的行为,组成一层类似合金的“化合物”;狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。

    点评

    是的,焊接动作之所以能够焊牢,最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC。  详情 回复 发表于 2021-6-11 14:36

    该用户从未签到

    4#
     楼主| 发表于 2021-6-11 14:36 | 只看该作者
    freedom1 发表于 2021-6-11 14:19
    8 e8 o) n& E# C焊接动作之所以能够焊牢,最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC(Intermetallic Compound,介面 ...

    ; }" K& P1 ~% M- V是的,焊接动作之所以能够焊牢,最根本的原因就是焊锡与底金属铜面之间产生了IMC。
    % O5 x  h) ?1 o. p8 ]/ n# H+ @
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