焊点失效分析技术与案例.ppt

焊点失效分析技术及案例,PCBA (Printed Circuit Board Assembly 印制电路组件 ),1.0 PCBA焊点可靠性的位置与作用,互连可靠性,焊点可靠性,元器件可靠性,压接绑定（其它）,PCB可靠性,电子电器核心,Source: U.S. Air Force Avionics Integrity Program,1.1 导致PCBA互连失效的主要的环境原因,主要失效模式,假焊虚焊,疲劳寿命低,机械强度低,腐蚀,其他,1.2 PCBA焊点的主要失效模式,1.3 PCBA焊点形成过程与影响因素,焊点形成的基本过程,润湿,扩散,冶金化,最关键步骤，影响因素：PCB、元器件、焊料、焊剂设备、工艺参数,焊接温度、焊接时间、冷却时间,焊接温度、焊接时间,q,slg,sls,sgs,Pad(Device PCB),1.3.1 焊点形成的关键润湿过程分析,1.4 PCBA焊点的主要失效机理（1）,Solder Joint Stress / Strain from Thermal Cycles,1.4 PCBA焊点的主要失效机理（2）,Solder Joint Stress / Strain from Vibration,1.5 PCBA焊点的主要失效原因分析,2.0 失效分析的基本方法与程序（1）,收集分析与失效有关的文件资料及背景材料 在立体显微镜下检查PCBA，记录任何异常现象（可疑的焊点、机械损伤、变色、污染或腐蚀等） 从电性能的角度确定失效以及失效的部位 普通显微镜观察不到的部位，通常需要X射线透视检查,失效定位,失效机理分析,失效原因分析,报告,无损分析,破坏性分析,与线路板相关的失效一般作破坏性的金相切片分析，寻找失效根源 与元器件相关的失效通常需要开封分析与切片分析 而与污染、腐蚀导致的失效通常无需开封与切片分析 SEM/EDS分析进一步确认失效的根源，元素分析可以揭示化学与材料的影响因素 FTIR显微镜确证导致污染或腐蚀失效的污染物的组成及其来源 综合分析各分析结果与背景材料，形成初步结论 进行必要的验证试验（如元器件与PCB的可焊性测试等） 形成最终结论，编制报告,2.0 失效分析的基本方法与程序（2）,2.1 PCBA焊点失效分析的注意事项,不要随意回流那些可疑失效元器件的焊点 不要使用机械或电气的探头企图拟合开路的焊点与PCB通孔 不要污染或损伤样品 保护现场！,3.0 焊点失效分析技术,1.外观检查 Visual Inspection 2.X射线透视检查 XRay Inspection 3.金相切片分析 Microsection Inspection 4.扫描超声显微镜检查 CSAM Inspection 5.红外热相分析 IRThermal Image 6.红外显微镜分析 FTIR Microscopy 7.能谱与扫描电镜分析 EDX& SEM 8.染色与渗透检测技术Dye & Pry Testing,1.润湿角 2.失效部位 3.批次或个别 4.焊点表面颜色,3.1 外观检查 Visual Inspection,失效定位 模式初判,主要工具：立体显微镜、金相显微镜、光学显微镜,3.2 X射线透视检查 XRay Inspection,1.焊点内部缺陷检查 2.通孔内部缺陷 3.密集封装BGA、CSP缺陷焊点定位 4.PCB缺陷定位,失效定位 模式判定,主要设备：Feinfocus X-ray Inspection System : FXS-160.40 3DX检测，分辨率 1微米,3.2.1 Xray Inspection失效定位举例开路,x,x,x,x,x,BGA:高放大倍率下双精度斜面观察. 开路的焊接点（X）,3.2.2 XRay Inspection失效定位举例桥联,x,x,x,x,A BGA 1020 (32x32) 自动标识焊接连桥,3.2.3 XRay Inspection失效定位举例润湿不良,x,x,x,x,x,多样的隆起直径和差的浸润,3.3 金相切片分析 Microsection Inspection,取样 镶嵌 切片 抛磨 腐蚀 观察,方法与步骤,仪器设备：取样机（或慢锯）、抛磨机、金相显微镜 材料： 环氧树脂、蚀刻液、抛光膏 依据：IPCTM650 2.1.1,BGA焊点失效,3.3.1 金相切片分析举例（1）,金属化孔失效,3.3.1 金相切片分析举例（2）,3.4 扫描超声显微镜检查 CSAM Inspection,1.无铅工艺制程中元器件封装内部缺陷（分层、空洞、裂纹）检查 2.FCOB倒装焊点空洞以及微裂纹分析,失效定位 模式判定,利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的位相及振幅变化来成像,Delamination,3.5 红外热相分析 IRThermal Image,1.PCBA温度分布分析 2.模块温度分布分析 （温度过高、过低部位的焊点往往是虚焊或开路）,失效定位 模式判定,3.6 红外显微镜分析 FTIR Microscopy,1.焊点表面（有机）污染物分析（分析腐蚀失效原因） 2.可焊性不良的焊盘表面有机污染物分析 （分析焊点开路或虚焊的深层次原因）,失效原因 分析,金手指有机沾污,3.7 能谱与扫描电镜分析 EDX& SEM,1.焊点金相组织观察与成分分析 2.可焊性不良的焊盘表面污染物分析 （分析焊点开路或虚焊的深层次原因）,失效原因分析,Ni 层,EDX,SEM,FPCpad镍镀层开裂分析,3.8 染色与渗透检测技术Dye & Pry Testing,Dye Ink Penetrant Inspection,方法与步骤,取样（BGA）,溶剂清洗,染色（加红墨水低压）,干燥后垂直分离器件与PCB,检查与纪录,Impact Direction,Impact Direction,The Results Shown in Mapping,裂纹焊点 （红色）,Partially cracked but still conductive prior to testing,Cracked/open prior to testing,Component,PCB,FACase1: MP3主板焊点脱落原因分析 FACase2：FPC焊盘失效分析（1853） FACase3：CMOS/CS 焊点开路失效分析（1773） FACase4：主板THT焊点不良分析（1727） FACase5：PCBAPLCC焊点腐蚀失效分析（1776） FACase6：PHS手机PCBA短路失效分析（1636） FACase7：PCB金手指污染腐蚀分析（1690） FACase8：XXX Module综合分析 （1742）,4. 失效案例分析,4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(1),焊点脱落的焊盘,样品描述,4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(2),二 外观检查,焊点已脱落的焊盘,对应的未焊接焊盘,三 金相切片,典型的翼型引脚焊点切片,焊膏润湿性试验 OK,4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(3),四金镀层质量分析,ENIG Finish Pad AuCoating的外观SEM形貌,裂缝,空隙,4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(4),五镍镀层质量分析01,蚀刻掉金镀层的焊盘的SEM照片,金镀层蚀刻后出现的“黑焊盘”现象,Au,Ni,4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(5),六镍镀层质量分析02,镍镀层的组成EDX分析（P含量偏低）,4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(6),分析结论,PCB焊盘金镀层和镍镀层结构不够致密，表面存在裂缝，空气中的水份容易进入以及浸金工艺中的酸液容易残留在镍镀层中；同时镍镀层磷含量偏低，导致了镀层耐酸腐蚀性能差，容易发生氧化腐蚀变色，出现 “黑焊盘”现象，使镀层可焊性变差。通常作为可焊性保护性涂覆层的金镀层在焊接时会完全溶融到焊料中，而镍镀层由于可焊性差不能与焊料形成良好的金属间化合物，最终导致元器件因焊点强度不足而容易从PCB板面脱落。,4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(7),4.2 手机主板焊点失效案例分析,4.2.1样品描述,4.2.2立体显微镜外观检查,4.2.3 Xray 检查,4.2.4 Dye & Pry 检查,4.2.5 金相切片分析(1),4.2.5 金相切片分析(2),4.2.6 可焊性试验,4.2.7 SEM & EDX分析,4.2.8 Pad 的SEM 分析（2）,Ni Coating,Au Coating,Ni Coating,4.2.9 黑焊盘的典型特征,4.2.10 分析