|
EDA365欢迎您登录!
您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册
x
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。
2 q5 S4 [: X$ Y5 \& e. ?6 Y7 J$ [0 l8 ?$ Z3 I, ~' d% {
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
) S; L4 j* S& E2 l+ b: \% N) ~/ P1 S2 K+ \; K( c: m& [7 j
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。
6 h$ ]& K5 ^4 J8 b* ]( ]; a, R0 S
/ P! O' m* N) \; r7 O1 A& X$ ?0 i R3 i0 |4 ^2 L
! 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。
; N0 L& ]1 U( i+ }& V
+ S- i; B' X5 r' E2 c4 I1 k, l1 S2 I r2 ^3 V& {5 y
1 }$ U0 _. s( N) f3 \. t
1 PCB的失效分析
: h. h; B u9 G, g9 @+ B4 C' L8 I
8 U4 c# ?3 x1 U3 P6 k2 V
" 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
; o' _4 M% d) \9 M: R2 z: ?8 m8 E. c; p, A* z0 i3 N
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
P/ i& L4 J* I. X- _& T( L1 H- n0 |# l0 W
1.1 失效点
, S7 M* k. s! ~. R! [) P( T7 ^# w( g8 B. K7 `' _; \+ ~. k1 U& i. B0 T
6 [1 y/ G) a; O& O; g* N, Z
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
* w/ h. h' P% L/ s: w# o: W
1.2 外观分析9 y6 @* L- y) y" ^' \. _5 S
3 X8 x( y! u/ o
6 F/ V+ F0 S, Y# T( W
; 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
8 V# b3 ~8 Q' D9 H. J1 p. I! ^
" d( _0 b* r9 R; X
1 d$ C3 e* }0 d4 i 1.3 EDX分析失效点表面
- } b& K$ G) S2 s) }+ F3 w2 K1 }2 h# F/ K
' i5 C/ R6 K6 u" C6 Y/ R
K& ~: g0 O( r: {1 g3 F. N
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
! Y! o6 W8 @' T: X
2 Z' w& @& D9 O; }: u( h2 D: F* |8 h5 j* ^# M$ ]
1.4 切片和SEM分析
9 B( ~% k$ x9 Z Q* V' ^# ^6 ~
4 ~" H4 M0 `7 @; [$ M3 J
3 U( x3 H: H6 H6 V. c' `9 k2 p/ u9 k$ C+ }* n, T6 V" D
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
& l9 `' m! q& Q
. ^0 b0 r+ A9 _6 S: S$ u, |% @( B5 N [7 j" E
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。
, Q3 c2 u3 t$ l; V' P6 @: W& w. l% X
( A7 u' Z& C" t1 v( u: O" y' h3 x$ l' R, j Y) o5 c$ V9 C W
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
h* O: m* Q3 q( p% e ]# k; \ @6 F& ^( v( ^6 L6 ?
& 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
% |4 h$ d& ? c% I. j+ ^3 w# Q6 F
+ u" J( y/ o' W* b7 r
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。
0 _+ r" B, g+ ]/ z5 ^0 U1 C6 F9 O- O; O, p" H5 J2 U
7 O# X. M& L- r% s' g! e* x& f
$ 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( ~
|
|