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一、界面失效

 

1. 界面失效的特征

 

      界面失效的特征是：焊點的電氣接觸不良或微裂紋發(fā)生在焊盤和釬料相接觸的界面層上，如圖1、圖2所示。

 

 

圖1界面失效焊點（1）

圖2 界面失效焊點（2）

 

2. 界面失效機理

 

（1）虛焊。

 

（2）冷焊。

 

（3）不合適的IMC層。

 

二、釬料疲勞失效

 

1、釬料疲勞失效特征

 

      焊點釬料疲勞失效的特征是：微裂紋或斷裂位置都是發(fā)生在釬料體的內(nèi)部或IMC附近，按其發(fā)生的位置常見的有3種：

 

      ① PCB焊盤側(cè)釬料體疲勞裂紋，如圖3。

 

 

圖3

 

      ② 釬料體的主裂紋發(fā)生在芯片側(cè)，如圖4所示。

 

 

圖4

 

      ③ PCB基板側(cè)和芯片側(cè)同時出現(xiàn)釬料體疲勞裂紋，如圖5所示。

 

 

圖5

 

      焊點釬料疲勞失效是由于工作環(huán)境中存在著隨機振動、正弦振動、載荷沖擊、溫度沖擊與循環(huán)等的周期性循環(huán)外力作用的結(jié)果。這種環(huán)境條件是普遍存在的，特別是在航天、航空、航海、車載等電子產(chǎn)品中尤為明顯。

 

      表面貼裝器件，焊點承擔(dān)了電氣的、熱學(xué)的及機械連接等多重作用，并且一直是可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。焊點受損原因以熱循環(huán)誘發(fā)最為常見，而徐變和應(yīng)力松弛則是循環(huán)受損的主因，如圖6所示。材料徐變一般在溫度高于絕對熔化溫度的0.6倍（Tk/Tkm＞0.6）時出現(xiàn)。

 

 

圖6 PCB在溫度循環(huán)中的變形規(guī)律

 

2.釬料疲勞失效機理

 

      焊點因熱循環(huán)受損的常見原因如下：

 

      器件與PCB間的整體CTE失配，誘發(fā)各種應(yīng)力；

 

      器件和PCB在厚度方向與表面區(qū)域出現(xiàn)溫度梯度；

 

      附著于元器件與PCB之間的釬料局部CTE失配。

 

      減少元器件與PCB的CTE失配，即減少熱循環(huán)受損情況。對帶外部引腳的表面貼裝元器件來說，柔性的引腳已使CTE失配問題有所緩解。而面陣列封裝中球的剛性給可靠性帶來了不利的影響。實驗表明BGA的故障不是出現(xiàn)在球與封裝之間，就是出現(xiàn)在球與PCB焊盤之間。

 

      與界面失效相反，所有這些失效的焊點主要是由于釬料疲勞引發(fā)的。

 

三、張力載荷引起蠕變斷裂

 

1. 張力載荷引起蠕變斷裂的特征

 

      張力載荷引起蠕變斷裂的特征是：裂縫或斷裂面通常都發(fā)生在截面面積比較小、抗拉強度最脆弱的橫斷面上，有的甚至還發(fā)生在焊盤銅箔與PCB基材之間，如圖7所示。

 

 

圖7張力載荷引起蠕變斷裂

 

2. 張力載荷引起蠕變斷裂機理

 

      對大多數(shù)便攜式電子產(chǎn)品，如移動電話、呼機、PDA等，相對于環(huán)境溫度的變化都不是非常嚴(yán)酷的，且其極限溫度范圍也較小，使用壽命也相對較短（3～5年）。因此，在此類產(chǎn)品中，焊點通常不會因熱循環(huán)而失效，相反，PCB的彎曲將是失效的主要原因。

 

四、彎曲試驗常見的失效

 

1. 彎曲試驗常見的失效特征

 

（1）失效模式①。

 

      在失效模式①中（見圖7中①），PCB焊盤從層壓板內(nèi)部剝離，通常還有少量的環(huán)氧樹脂保留在焊盤上。一旦焊盤被剝離，它就能夠在PCB彎曲時自由地上下移動，從而引起PCB導(dǎo)線最終的疲勞斷裂。進(jìn)行染色-剝離失效分析后，失效模式①的照片如圖8所示。在焊盤下的層壓板中心有染色劑沾染，說明失效發(fā)生在焊點從PCB上剝離之前。該失效模式一般出現(xiàn)在最惡劣（最大形變）的彎曲測試條件下。

 

 

圖8 失效模式①的斷面染色

 

（2）失效模式②。

 

      該失效模式是因PCB的導(dǎo)線斷裂（見圖7中②）造成的。焊盤未從層壓板內(nèi)部剝離，印制線疲勞和裂縫出現(xiàn)在阻焊膜開孔區(qū)附近。這種失效模式使用染色-剝離技術(shù)是很難發(fā)現(xiàn)的。

 

（3）失效模式③。

 

      它是PCB焊盤附近的釬料疲勞失效（見圖7中③）。可以確認(rèn)的是：裂縫最初出現(xiàn)在PCB導(dǎo)線端頭處焊盤的外邊緣，這個連接區(qū)域是由阻焊膜界定的（在焊盤的側(cè)壁周圍沒有釬料層）。經(jīng)染色-剝離失效分析后的失效模式③如圖9所示，其橫截面如圖10所示。若PCB上只有OSP涂層，則不存在界面失效。而對ENIG Au/Ni涂層的 PCB，在焊盤界面上有可能觀察到界面失效。

 

 

圖9 失效模式③的斷面染色

 

 

圖10 失效模式③的橫截面

 

（4）失效模式④。

 

      該模式是在器件界面附近的釬料疲勞（見圖7中④），如圖11所示。在大多數(shù)情況下，當(dāng)器件上的焊盤比PCB焊盤大時，則很少觀察到這種失效模式。而當(dāng)PCB焊盤尺寸比器件焊盤尺寸大時，則常見。

 

 

圖11 失效模式④的斷裂面

 

      通常失效模式①和②發(fā)生在最高應(yīng)力條件下，模式③和④發(fā)生在較低應(yīng)力條件下。隨著PCB導(dǎo)線尺寸的減小，模式②就更為普遍。另外，如果SMT加工后，PCBA被多次處理過，那么失效模式①和②也容易發(fā)生。

 

2. 彎曲試驗失效機理

 

      PCB的局部彎曲可能引起蠕變斷裂，蠕變斷裂可能發(fā)生在產(chǎn)品工廠組裝后的幾天甚至幾年之后。失效的形成原因是：

 

（1）安裝結(jié)構(gòu)缺陷。

 

      造成彎曲也許只是因為一個將PCB固定到機箱上的螺釘，由于張力載荷導(dǎo)致焊點釬料蠕變，在固定螺釘附近的元器件的焊點會逐漸失效并最終斷裂。

 

（2）按鍵壓力引起彎曲而導(dǎo)致焊點失效。

 

      PCB彎曲時焊點失效的發(fā)生是因為按鍵壓力的作用，大多數(shù)產(chǎn)品都是將鍵盤區(qū)和PCB上的鍍金部分相聯(lián)系。每次，當(dāng)一個鍵被壓下時，PCB就將會發(fā)生變形，變形的幅度和在焊點上產(chǎn)生的應(yīng)力，取決于產(chǎn)品的整體機械設(shè)計。在一個移動電話的壽命期內(nèi)，由于按鍵導(dǎo)致的PCB彎曲的次數(shù)可能會達(dá)到幾十萬次。

 

（3）應(yīng)力過大產(chǎn)生焊點疲勞失效。

 

      第三種彎曲失效機理發(fā)生在便攜式產(chǎn)品掉到地上時，導(dǎo)致PCB劇烈振動，在元器件焊點上引起應(yīng)力，嚴(yán)重時由于應(yīng)力過大或焊點疲勞而產(chǎn)生失效。隨著細(xì)間距球柵陣列封裝（BGA）和芯片級封裝（CSP）的普遍應(yīng)用，PCB的彎曲成了便攜式產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵因素。因此，人們不得不采用環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑，對上述封裝器件進(jìn)行底部填充來提高可靠性，抑制焊點失效。