找回密码
 注册
关于网站域名变更的通知
查看: 610|回复: 3
打印 上一主题 下一主题

【技术帖】发动机用PCB的失效分析研究

[复制链接]

该用户从未签到

跳转到指定楼层
1#
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

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。
) y7 u3 k  F7 q% F4 |2 P! Z! ~2 l# y7 x/ a3 T4 {! D: R+ _: L" G0 {' r
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
- G: y- n! s( E) I5 p
3 p. J0 s0 g4 M8 [2 P6 G
  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。
9 z; v! l" M+ B9 v- G4 K+ u( ?7 f0 W, F

& ], p8 P; G/ v) d5 ]/ H3 A9 p+ W6 J
! d, w  S+ x! x1 D# j4 a  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。
$ G# @) x( |" ^4 s8 X. B0 A8 S
1 A- G7 O7 \% Y3 [( ^& d% ^) Y$ u- }+ ?/ u! S* k6 W: B# n* G4 _

7 \3 D% H- Z- Q9 w5 @( X1 PCB的失效分析
% o4 X  |" F; Z9 a% ?
' o) R3 h2 q5 ~2 k9 W. f7 ]! n
2 z/ z1 Q! _: q1 b" H' }( I
, ]  G) x( e. O, w- Z1 A  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。( x0 U  [7 z5 b9 o
2 l1 Y" g2 V' S- b& l

  c+ ~1 J% C1 c7 |( s- G. }4 C: u9 r. u/ l9 b7 M
  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 o3 A0 }( \7 C/ H1 j
- a+ g5 W) M# G7 v

) |6 G) A6 r3 r' @4 [2 T: q- X. ?4 |, q  \: \
  1.1 失效点
) J) m% d0 H* Q' j  L; i& n5 z( P" J% ?* h
  F: \; [5 T- L+ N
: B0 j2 {1 y& m# }' V1 _
  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。8 R8 K6 Z. H7 {$ N1 \. t6 k
: {% g3 H/ M- P7 e" r
  1.2 外观分析4 z$ a! p( ?9 X- r7 s7 F+ m1 t

% }: u0 A) G* G! e# L% e7 B* {. p; x  {8 b

& m; A7 Q. i, X% \4 q4 f  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。% S  V- k5 l; v; E4 {9 H/ i5 {- S

6 G$ n) _) u' w' e
2 B2 o) p  X. O) q  P
2 N; H- z0 h& L9 W. ]& a0 K, ~  1.3 EDX分析失效点表面
% `0 s5 D* G+ `6 K6 G) E
7 B1 E! j+ j$ n! K9 Z
  t* h' K% X( p7 k+ b  B0 ?$ e, i2 Q, z/ d4 q! }% }% s2 n' g
  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。, P' J& [) J; U$ x

1 l9 d& O7 W6 R% h! Z- O% T  ^# W) R5 D# u$ H, f6 _
& @1 r: h2 A# k% ~: o3 H+ F
  1.4 切片和SEM分析5 {# T. a1 j- J; }5 G  |, l
, S; R+ K$ A- N3 w* s9 H
) r: ^: K3 F/ i, t$ ]/ i, ~) k
: W( M& @& m  `3 M
  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。
% w$ ?7 k& [+ T, t5 @
# P1 f* s7 ?$ C% u# W" t" ~5 Z
4 q% R, ]- l+ z, I& n) i* k  w0 m' {: k1 s* Q' ~
  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。2 w* s5 E) |8 C6 X2 p: Z

+ K2 ]" ^: U8 h1 r! `! x1 r; c# @% V* K$ G+ q$ {5 d

* P; c  n' B$ N  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。* Q, j& X* z# i

& E' E. x2 r, @9 Q% u0 X) |3 Y/ V7 o) n- ]
4 M* k! u$ s, h; K
  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 Q; M- a0 ~8 ?, c7 x3 m

: x9 m, q: d$ r2 结论
4 V& |2 H" a' V/ L
$ F4 I! I; Y/ Y3 K7 @/ f  B0 I! q  H- a0 r- m+ o" G/ Q( p. }0 a
9 e* B3 e6 L% x& h% Y
  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。' X* m1 k  V7 h; ^4 A; ?* b7 S

" t$ V, q- M7 }; ?% i* y$ S7 `
4 Q& G$ X1 }' h1 `/ z4 e7 P8 w6 V1 E: G, Q# _
  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。3 {+ Y  K' w' b+ e7 F

该用户从未签到

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
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    3#
    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
    0 d1 ^7 c: j0 _% y5 U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 ...

    : e. ]1 \, [! @$ y5 J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。
    7 k& Q" `) N6 x8 a) J
    您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

    本版积分规则

    关闭

    推荐内容上一条 /1 下一条

    EDA365公众号

    关于我们|手机版|EDA365电子论坛网 ( 粤ICP备18020198号-1 )

    GMT+8, 2025-6-13 03:29 , Processed in 0.078125 second(s), 24 queries , Gzip On.

    深圳市墨知创新科技有限公司

    地址:深圳市南山区科技生态园2栋A座805 电话:19926409050

    快速回复 返回顶部 返回列表