1、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焊点可靠性元器件可靠性压接绑定（其它）PCB可靠性电子电电子电器器核心核心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
2、，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q qs slgs slss sgsPad(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1.4 PCBA焊点的主要失效机理（1）Solder Joint Stress/Strain from Thermal Cycles1.4 PCBA焊点的主要失效机理（2）Solder Joint Stress/Strain from Vibration1.5 PCBA焊点的主要失效原因分析焊点的
3、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
4、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/EDSSEM/EDS分析进一步确认失效的根源，元素分析
5、可以揭示化学与材料的影响因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素FTFTIRIR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（如元器件与进行必要的验证试验（如元器件与PCBPCB的可焊性测试等）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）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v不要随意回流那些可疑失效元器件的焊点
6、不要随意回流那些可疑失效元器件的焊点v不要使用机械或电气的探头企图拟合开路不要使用机械或电气的探头企图拟合开路的焊点与的焊点与PCB通孔通孔v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！3.0 焊点失效分析焊点失效分析技术技术1.1.外观检查外观检查 Visual InspectionVisual Inspection2.2.X X射线透视检查射线透视检查 X XRay InspectionRay Inspection3.3.金相切片分析金相切片分析 Microsection InspectionMicrosection Inspection4.4.扫描超声显微镜检查扫描超声显微
7、镜检查 C CSAM InspectionSAM Inspection5.5.红外热相分析红外热相分析 IRIRThermal ImageThermal Image6.6.红外显微镜分析红外显微镜分析 FTIR Microscopy7.7.能谱与扫描电镜分析能谱与扫描电镜分析 EDX&SEM8.8.染色与渗透检测技术染色与渗透检测技术Dye&Pry TestingDye&Pry Testing1.润湿角2.失效部位3.批次或个别4.焊点表面颜色3.1 外观检查外观检查 Visual InspectionVisual 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
8、镜主要工具：立体显微镜、金相显微镜、光学显微镜3.2 X X射线透视检查射线透视检查 X XRay InspectionRay 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3.2.1 X3.2.1 Xray Inspectionray Inspection失效定位举例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
9、焊接点（开路的焊接点（X）3.2.2 X3.2.2 XRay InspectionRay Inspection失效定位举例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3.2.3 X3.2.3 XRay InspectionRay Inspection失效定位举例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3.3 3.3 金相切片分析金相切片分析 Microsection InspectionMicrosection Inspection取样取样 镶嵌镶嵌 切片切片 抛磨抛磨 腐蚀腐蚀 观察观察方法与步骤
10、方法与步骤仪器设备：取样机（或慢锯）、仪器设备：取样机（或慢锯）、抛磨机、金相显微镜抛磨机、金相显微镜材料：材料：环氧树脂、蚀刻液、抛光环氧树脂、蚀刻液、抛光膏膏依据：依据：IPCTM650 2.1.1第1排3.3.1 3.3.1 金相切片分析举例（金相切片分析举例（1 1）BGA焊点失效焊点失效3.3.1 3.3.1 金相切片分析举例（金相切片分析举例（2 2）金属化孔失效金属化孔失效3.3.1 3.3.1 金相切片分析举例（金相切片分析举例（2 2）3.4 3.4 扫描超声显微镜检查扫描超声显微镜检查 C CSAM InspectionSAM Inspection1.1.无铅工艺制程中元器
11、件无铅工艺制程中元器件封装内部缺陷（分层、空封装内部缺陷（分层、空洞、裂纹）检查洞、裂纹）检查2.FCOB2.FCOB倒装焊点空洞以及倒装焊点空洞以及微裂纹分析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Delamination3.5 3.5 红外热相分析红外热相分析 IRIRThermal Thermal ImageImage1.1.PCBAPCBA温度分布分析温度分布分析2.2.模块温度分布分析模块温度分布分析（温度过高、过低部位的（温度过高、过低部位的焊点往往是虚焊或开路）焊点往往是虚焊或开路）失效定位模式判定3.6 3.6 红外显微镜分析红外
12、显微镜分析 FTIR Microscopy1.1.焊点表面（有机）焊点表面（有机）污染物分析（分析腐污染物分析（分析腐蚀失效原因）蚀失效原因）2.2.可焊性不良的焊盘可焊性不良的焊盘表面有机污染物分析表面有机污染物分析（分析焊点开路或虚（分析焊点开路或虚焊的深层次原因）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3.7 3.7 能谱与扫描电镜分析能谱与扫描电镜分析 EDX&SEM1.1.焊点金相组织观察焊点金相组织观察与成分分析与成分分析2.2.可焊性不良的焊盘可焊性不良的焊盘表面污染物分析表面污染物分析（分析焊点开路或虚（分析焊点开路或虚焊的深层次原因）焊的深层次原因）失效原因分
13、析失效原因分析Ni 层EDXSEMFPCFPCpadpad镍镀层开裂分析镍镀层开裂分析 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The Results Shown in Mapping3.8.1 3.8.1 染色法检测到失效焊点的平面图示染色法检测到失效焊点的平面图示3.8.2 3.8.2 染色法检测到失效的焊点染色法检测到失效的焊点 Parti
14、ally cracked but still conductive prior to testingCracked/open prior to testingComponentPCBFACase1: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 4.1 MP3主板焊点脱落原因分
15、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)二二 外观检查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 三三 金相切片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)四四金金镀镀层层质质量量分分析析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)五五镍镍镀镀层层质质量量分分析析01蚀刻掉金镀层的焊盘的蚀刻掉金镀层的焊盘的SEMSEM照片照片 金镀层蚀
16、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)六六镍镍镀镀层层质质量量分分析析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)分分析析结结论论PCBPCB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
17、变色，出现偏低，导致了镀层耐酸腐蚀性能差，容易发生氧化腐蚀变色，出现 “黑黑焊盘焊盘”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PCBPCB板板面脱落。面脱落。ENIG Finish Pad Finish Pad 结构示意图结构示意图CuLAMINATENiAu4.1 MP3主板焊点脱落原
18、因分析主板焊点脱落原因分析(7)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4.2.24.2.2立体显微镜外观检查立体显微镜外观检查 4.2.3 4.2.3 X Xray ray 检查检查 4.2.4 4.2.4 Dye&PryDye&Pry 检查检查 4.2.5 4.2.5 金相切片分析金相切片分析(1)(1)4.2.5 4.2.5 金相切片分析金相切片分析(2)(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 CoatingAu CoatingNi Coating 4.2.9 黑焊盘的典型特征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4.3 PCBA腐蚀失效案例（1）4.3 PCBA腐蚀失效案例（2）
