焊点失效分析技术及案例.pdf

1中国赛宝实验室中国赛宝实验室罗 道 军罗 道 军 0086-2087237161,焊点失效分析技术及案例Ceprei-Rac- 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电子电器核心Ceprei-Rac- Source:U.S.Air Force Avionics Integrity Program1.1 导致导致PCBA互连失效的主要的环境原因互连失效的主要的环境原因Ceprei-Rac- 主要失效模式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Ceprei-Rac- 1.3 PCBA焊点形成过程与影响因素焊点形成的基本过程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、冷却时间焊接温度、焊接时间焊接温度、焊接时间Ceprei-Rac- lg ls gsPad(Device PCB)Gas 气相气相solder1.3.1 焊点形成的关键润湿过程分析焊点形成的关键润湿过程分析2Ceprei-Rac- 1.4 PCBA焊点的主要失效机理（1）Solder Joint Stress/Strain from Thermal CyclesCeprei-Rac- 1.4 PCBA焊点的主要失效机理（2）Solder Joint Stress/Strain from VibrationCeprei-Rac- 1.5 PCBA焊点的主要失效原因分析焊点的主要失效原因分析主要失效原因主要失效原因2.PCB焊盘不良焊盘不良1.元器件引脚不良元器件引脚不良3.焊料质量缺陷焊料质量缺陷4.焊剂质量缺陷焊剂质量缺陷5.工艺参数控制缺陷工艺参数控制缺陷6.其它辅助材料缺陷其它辅助材料缺陷镀层、污染、氧化、共面镀层、污染、氧化、共面镀层、污染、氧化、翘曲镀层、污染、氧化、翘曲组成、杂质超标、氧化组成、杂质超标、氧化低助焊性、高腐蚀、低低助焊性、高腐蚀、低SIR设计、控制、设备设计、控制、设备胶粘剂、清洗剂胶粘剂、清洗剂Ceprei-Rac- 2.0 失效分析的基本方法与程序（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定位失效机理分析失效机理分析失效原因分析失效原因分析报告报告无损分析无损分析破坏性分析破坏性分析Ceprei-Rac-?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）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，编制报告形成最终结论，编制报告2.0 失效分析的基本方法与程序（失效分析的基本方法与程序（2）Ceprei-Rac- 2.1 PCBA焊点失效分析的注意事项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通孔通孔?不要污染或损伤样品不要污染或损伤样品保护现场！保护现场！3Ceprei-Rac- 3.0 焊点失效分析技术焊点失效分析技术?1.外观检查 Visual Inspection1.外观检查 Visual Inspection?2.X射线透视检查 XRay Inspection2.X射线透视检查 XRay Inspection?3.3.金相切片分析 Microsection Inspection金相切片分析 Microsection Inspection?4.扫描超声显微镜检查 CSAM Inspection4.扫描超声显微镜检查 CSAM Inspection?5.红外热相分析 IRThermal Image5.红外热相分析 IRThermal Image?6.红外显微镜分析6.红外显微镜分析 FTIR Microscopy?7.能谱与扫描电镜分析7.能谱与扫描电镜分析EDX&SEM?8.8.染色与渗透检测技术Dye&Pry Testing染色与渗透检测技术Dye&Pry TestingCeprei-Rac- 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、光学显微镜主要工具：立体显微镜、金相显微镜、光学显微镜Ceprei-Rac- 3.2 X 射线透视检查 XRay InspectionX 射线透视检查 XRay Inspection1.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：主要设备：Feinfocus X-ray Inspection System:FXS-160.403DX检测，分辨率 检测，分辨率 1微米微米Ceprei-Rac- 3.2.1 Xray Inspection失效定位举例3.2.1 Xray Inspection失效定位举例开路开路xxxxxBGA:高放大倍率下双精度斜面观察高放大倍率下双精度斜面观察.开路的焊接点（开路的焊接点（X）Ceprei-Rac- 3.2.2 XRay Inspection失效定位举例3.2.2 XRay Inspection失效定位举例桥联桥联xxxxA BGA 1020(32x32)自动标识焊接连桥自动标识焊接连桥Ceprei-Rac- 3.2.3 XRay Inspection失效定位举例3.2.3 XRay Inspection失效定位举例润湿不良润湿不良xxxxx多样的多样的隆起隆起直径和差的浸润直径和差的浸润4Ceprei-Rac- 3.3 金相切片分析Microsection Inspection3.3 金相切片分析Microsection Inspection取样镶嵌切片抛磨腐蚀观察取样镶嵌切片抛磨腐蚀观察方法与步骤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：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第1排Ceprei-Rac- 3.3.1 金相切片分析举例（1）3.3.1 金相切片分析举例（1）Ceprei-Rac- BGA焊点失效焊点失效3.3.1 金相切片分析举例（2）3.3.1 金相切片分析举例（2）金属化孔失效金属化孔失效Ceprei-Rac- 3.3.1 金相切片分析举例（2）3.3.1 金相切片分析举例（2）Ceprei-Rac- 3.4 扫描超声显微镜检查CSAM Inspection3.4 扫描超声显微镜检查CSAM Inspection1.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DelaminationCeprei-Rac- 3.5 红外热相分析 IRThermal Image3.5 红外热相分析 IRThermal Image1.PCBA温度分布分析2.模块温度分布分析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）（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5Ceprei-Rac- 3.6 红外显微镜分析3.6 红外显微镜分析 FTIR Microscopy1.焊点表面（有机）污染物分析（分析腐蚀失效原因）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）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金手指有机沾污Ceprei-Rac- 3.7 能谱与扫描电镜分析3.7 能谱与扫描电镜分析 EDX&SEM1.焊点金相组织观察与成分分析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）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）失效原因分析失效原因分析Ni 层EDXSEMFPCpad镍镀层开裂分析FPCpad镍镀层开裂分析Ceprei-Rac- 3.8 染色与渗透检测技术染色与渗透检测技术Dye&Pry TestingDye Ink Penetrant Inspection方法与步骤方法与步骤取样（取样（BGA）溶剂清洗溶剂清洗染色（加红墨水低压）染色（加红墨水低压）干燥后垂直分离器件与干燥后垂直分离器件与PCB检查与纪录检查与纪录Ceprei-Rac- The Results Shown in Mapping3.8.1 染色法检测到失效焊点的平面图示3.8.1 染色法检测到失效焊点的平面图示Ceprei-Rac- 3.8.2 染色法检测到失效的焊点3.8.2 染色法检测到失效的焊点Partially cracked but still conductive prior to testingCracked/open prior to testingComponentPCBCeprei-Rac- 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）4.失效案例分析6Ceprei-Rac- 4.1 MP3主板焊点脱落原因分析主板焊点脱落原因分析(1)焊点脱落的焊盘样品描述样品描述Ceprei-Rac- 4.1 MP3主板焊点脱落原因分析主板焊点脱落原因分析(2)二外观检查二外观检查焊点已脱落的焊盘对应的未焊接焊盘对应的未焊接焊盘Ceprei-Rac- 三金相切片三金相切片典型的翼型引脚焊点切片焊膏润湿性试验焊膏润湿性试验 OK4.1 MP3主板焊点脱落原因分析主板焊点脱落原因分析(3)Ceprei-Rac- 四金镀层质量分析四金镀层质量分析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主板焊点脱落原因分析(4)Ceprei-Rac- 五镍镀层质量分析五镍镀层质量分析01蚀刻掉金镀层的焊盘的SEM照片蚀刻掉金镀层的焊盘的SEM照片金镀层蚀刻后出现的金镀层蚀刻后出现的“黑焊盘黑焊盘”现象现象AuNi4.1 MP3主板焊点脱落原因分析主板焊点脱落原因分析(5)Ceprei-Rac- 六镍镀层质量分析六镍镀层质量分析02镍镀层的组成镍镀层的组成EDX分析（分析（P含量偏低）含量偏低）4.1 MP3主板焊点脱落原因分析主板焊点脱落原因分析(6)7Ceprei-Rac- 分析结论分析结论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。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。ENIG Finish Pad 结构示意图Finish Pad 结构示意图CuLAMINATENiAu4.1 MP3主板焊点脱落原因分析主板焊点脱落原因分析(7)Ceprei-Rac- 4.2 4.2 手机主板焊点失效案例分析手机主板焊点失效案例分析4.2.1样品描述样品描述Ceprei-Rac- 4.2.2立体显微镜外观检查4.2.2立体显微镜外观检查Ceprei-Rac- 4.2.3 Xray 检查4.2.3 Xray 检查Ceprei-Rac- 4.2.4 Dye&Pry 检查4.2.4 Dye&Pry 检查Ceprei-Rac- 4.2.5 金相切片分析(1)4.2.5 金相切片分析(1)8Ceprei-Rac- 4.2.5 金相切片分析(2)4.2.5 金相切片分析(2)Ceprei-Rac- 4.2.6 可焊性试验Ceprei-Rac- 4.2.7 SEM&EDX分析Ceprei-Rac- 4.2.8 Pad 的SEM 分析（2）Ni CoatingAu CoatingNi CoatingCeprei-Rac- 4.2.9 黑焊盘的典型特征Ceprei-Rac- 4.2.10 分析结论PCB焊盘可焊性不良是导致 BGA焊接失效的主要原因。BGA焊接失效表现在：BGA焊点锡铅焊料与PCB焊盘镍镀层之间存在的开裂现象。导致PCB焊盘可焊性不良的主要原因有待于进一步求证（？）。但不存在黑镍现象9Ceprei-Rac- 4.3 PCBA腐蚀失效案例（1）Ceprei-Rac- 4.3 PCBA腐蚀失效案例（2）Ceprei-Rac- Acknowledge关于无铅导入的各种分析测试与咨询的支持服务请联络关于无铅导入的各种分析测试与咨询的支持服务请联络TEL:020-87237173 FAX:020-87237185TEL:020-87237173 FAX:020-87237185谢谢各位！谢谢各位！