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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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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。
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! 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。
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7 \3 D% H- Z- Q9 w5 @( X1 PCB的失效分析
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, ] 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
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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
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1.1 失效点
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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
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1.2 外观分析4 z$ a! p( ?9 X- r7 s7 F+ m1 t
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& 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
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2 N; H- z0 h& L9 W. ]& a0 K, ~ 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。, P' J& [) J; U$ x
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1.4 切片和SEM分析5 {# T. a1 j- J; }5 G |, l
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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。
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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。2 w* s5 E) |8 C6 X2 p: Z
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* 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
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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
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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
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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
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