引言

因制造工藝、使用環(huán)境、機械應(yīng)力等原因造成的焊點失效，時常導(dǎo)致產(chǎn)品故障失效，影響其使用可靠性。本文以芯片焊點開裂失效為例，通過外觀檢查、X-Ray檢測、切片分析、熱學(xué)分析等方法，分析其失效原因與機理，并提出改善建議。

一、案例背景

某批次交通誘導(dǎo)屏出現(xiàn)局部花屏，分析發(fā)現(xiàn) IC芯片有類似虛焊或接觸不良現(xiàn)象，對器件加焊后顯示恢復(fù)正常，初步懷疑是焊接問題?，F(xiàn)分析芯片焊點是否存在異常以及異常的原因。

二、分析過程

1. 外觀檢查

將失效IC及正常IC外層灌封膠剝離后，對IC引腳焊點進行外觀檢查。失效IC多個引腳焊點表面均發(fā)現(xiàn)異常裂紋現(xiàn)象，正常IC引腳焊點未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

圖1. NG IC引腳表面外觀檢查照片

圖2. OK IC引腳表面外觀檢查照片

2. X-Ray觀察

利用X-Ray對失效IC和正常IC引腳焊點進行透視觀察。

失效IC多個引腳焊點發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，正常IC焊點未發(fā)現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象。后續(xù)通過切片分析手段，對焊點焊接狀況進一步確認(rèn)。

圖3. IC引腳焊點X-Ray透視檢查照片

3. 剖面分析

對失效IC典型開裂焊點及正常IC焊點進行切片后，利用SEM+EDS對截面進行觀察分析，結(jié)果如下。

失效IC：①異常引腳焊點呈貫穿性開裂，開裂位于靠PCB 側(cè)IMC與焊錫之間；②PCB側(cè)IMC生成連續(xù)，厚度正常；③成分測試顯示，開裂位置未發(fā)現(xiàn)異常元素存在；④開裂引腳及正常引腳焊點，IMC內(nèi)都發(fā)現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象；⑤開裂位置周圍界面觀察顯示，引腳與灌封膠之間、灌封膠與PCB之間都發(fā)現(xiàn)界面分離現(xiàn)象。

圖4. 失效IC引腳焊點切片后SEM圖片及EDS能譜圖

正常IC：①引腳焊點未發(fā)現(xiàn)明顯開裂等異常；②焊點IMC內(nèi)同樣存在微裂紋現(xiàn)象；③界面觀察結(jié)果顯示，焊點與灌封膠同樣存在界面分離現(xiàn)象，只是分離程度不同，本質(zhì)無差異；④灌封膠與PCB表面未發(fā)現(xiàn)明顯界面分離現(xiàn)象。

圖5. 正常IC引腳焊點切片后SEM圖片及EDS能譜圖

以上結(jié)果顯示：①失效IC個別引腳焊點呈貫穿性開裂，開裂位于靠PCB側(cè)IMC與焊錫之間，結(jié)合焊點周圍存在顯著界面分離現(xiàn)象，推測焊點開裂因材料間熱失配而引發(fā)焊點疲勞開裂失效；②成分測試顯示，開裂位置未發(fā)現(xiàn)異常元素，同時IMC生成連續(xù)，厚度正常，故排除污染及焊接熱輸入異常對焊點開裂的影響；③失效IC及正常IC，IMC內(nèi)部都發(fā)現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象，故其他未開裂焊點同樣存在可靠性風(fēng)險。

4. 熱學(xué)分析

為了確認(rèn)灌封膠與PCB熱膨脹系數(shù)是否存在較大差異，利用熱機械分析儀對二者進行線性熱膨脹系數(shù)測試。

結(jié)果顯示，灌封膠在-40.0℃~55.0℃溫度下Z軸線性熱膨脹系數(shù)為382.2954μm/(m·℃)，而PCB在相同溫度下Z軸線性熱膨脹系數(shù)為38.7934μm/(m·℃)，相同溫度下，灌封膠線性熱膨脹系數(shù)約是PCB的10倍。

圖6. 灌封膠與PCB線性熱膨脹系數(shù)測試曲線

三、總結(jié)分析

外觀檢查及X-Ray透視觀察發(fā)現(xiàn)，失效IC多個引腳焊點都存在裂紋異常，而正常IC引腳焊點未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

剖面分析結(jié)果顯示：①失效IC裂紋焊點呈貫穿性開裂，開裂位置位于靠PCB側(cè)IMC與焊錫之間；②成分測試顯示，開裂位置未發(fā)現(xiàn)異常元素，同時IMC生成連續(xù)，厚度正常，故排除污染及焊接熱輸入異常對焊點開裂的影響；③失效IC及正常IC，IMC內(nèi)部都發(fā)現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象，故其他未開裂焊點同樣存在可靠性風(fēng)險；④焊點周圍界面觀察顯示，失效IC位置，灌封膠與焊點及PCB表面都發(fā)現(xiàn)界面分離現(xiàn)象。正常IC位置，灌封膠與焊點雖存在不同程度界面分離現(xiàn)象，但灌封膠與PCB表面未發(fā)現(xiàn)明顯界面分離現(xiàn)象。

熱學(xué)分析結(jié)果顯示，-40.0℃~55.0℃溫度下，灌封膠Z軸線性熱膨脹系數(shù)約是PCB 的10倍。

綜上所述，焊點開裂的主要原因為：灌封膠與PCB之間材料熱失配導(dǎo)致灌封膠與PCB界面分離，界面分離后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力直接加載在焊點上，周期性的內(nèi)應(yīng)力最終導(dǎo)致焊點疲勞開裂。

正常IC位置灌封膠與PCB界面結(jié)合良好，焊點未發(fā)生疲勞開裂失效，但由于焊點IMC內(nèi)部存在微裂紋，故同樣存在可靠性問題。

芯片焊點發(fā)生疲勞失效的直接原因是周期性的應(yīng)力應(yīng)變，影響周期性的應(yīng)力應(yīng)變的因素包括：1.LED燈板服役溫度，服役溫度與應(yīng)力應(yīng)變大小直接相關(guān)，服役溫度越高，應(yīng)力應(yīng)變的程度越大，焊點越容易發(fā)生疲勞失效；2.燈板整體散熱設(shè)計，散熱設(shè)計不合理，可能導(dǎo)致燈板局部溫度過高；3. 材料熱失配，材料間存在較大熱學(xué)性能差異（如線性熱膨脹系數(shù)等），更容易導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。

四、結(jié)論與建議

芯片失效的原因為引腳焊點發(fā)生了疲勞開裂。

改善建議

1. 更換熱膨脹系數(shù)更小的灌封膠，減小材料間熱失配影響；

2. 改善燈板散熱設(shè)計，降低燈板溫度，避免局部溫度不均現(xiàn)象。

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