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1、中国赛宝实验室中国赛宝实验室罗罗 道道 军军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焊点点可可靠靠性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
2、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-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Ceprei-Rac-1.4 PCBA焊点的主要失效机理（1）Solder Joint Stress
3、/ 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主要要失失效效原原因因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、
4、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报告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
5、，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分分析析进进一一步步确确认认失失效效的的根根源源，元元素素分分析析可可以以揭揭示示化化学学与与材材料料的的影响因素影响因素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
6、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）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v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v不不要要使使用用机机械械或或电电气气的的探探头头企企图图拟拟合合开开路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！Ceprei-Rac-3.0 焊点失效分析焊点失效分析技术技术1.
7、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 MicrosectionMicrosection Inspection Inspection4.4.扫描超声显微镜检查扫描超声显微镜检查 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
8、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 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 X射线透视检查射线透视检查 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
9、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
10、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Ceprei-Rac-3.3 金相切片分析金相切片分析 Microsection Inspection取取样样 镶镶嵌嵌 切切片片 抛抛磨磨 腐腐蚀蚀 观察观察方法与步骤方法与步骤仪仪器器设设备备：取取样样机机（或或慢慢锯锯）、抛抛磨磨机、金相显微镜机、金相显微镜材料：材料： 环氧树脂、蚀刻液、抛光膏环氧树脂、蚀刻液、抛光膏依据：依据：IPCTM650 2.1.1Ceprei-Rac-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（1 1）金属化孔失效金属化孔失效Cepr
11、ei-Rac-3.3.1 3.3.1 金相切片分析举例（金相切片分析举例（2 2）Ceprei-Rac-3.4 扫描超声显微镜检查扫描超声显微镜检查 CSAM Inspection1.1.无铅工艺制程中元器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DelaminationCeprei-Rac-3.5 红外热相分析红外热相分析 IRThermal Image1.1.PCBAPCBA温度分布分析
12、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Ceprei-Rac-3.6 红外显微镜分析红外显微镜分析 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Ceprei-Rac-3.7 能谱与扫描电镜分析能谱与扫描电镜分析 E
13、DX& 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）失效原因分析失效原因分析Ni 层EDXSEMFPCFPCpadpad镍镀层开裂分析镍镀层开裂分析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
14、PCB检查与纪录检查与纪录Ceprei-Rac-Impact DirectionImpact DirectionThe 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裂纹焊点裂纹焊点（红色）（红色）Ceprei-Rac-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 Partially cracked but still conductive prior to testingCracked/open prior to testingComponentPCBCeprei-Rac-FACase1: MP
15、3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 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(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
16、点脱落原因分析(2)二二 外外观观检检查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-三三 金金相相切切片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)Ceprei-Rac-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 金镀层蚀刻后出现的金镀层蚀刻后出现的“黑
17、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)Ceprei-Rac-分分析析结结论论PCBPCB焊焊盘盘金金镀镀层层和和镍镍镀镀层层结结构构不不够够致致密密，表表面面存存在在裂裂缝缝，空空气气中中的的水水份份容容易易进进入入以以及及浸浸金金工工艺艺中中的的酸酸液液容容易易残残留留在在镍镍镀镀层层中中；同同时时镍镍镀镀层层磷磷含含量量偏偏低低，导导致致了了镀镀层层耐耐酸酸腐腐
18、蚀蚀性性能能差差，容容易易发发生生氧氧化化腐腐蚀蚀变变色色，出出现现 “黑黑焊焊盘盘”现现象象，使使镀镀层层可可焊焊性性变变差差。通通常常作作为为可可焊焊性性保保护护性性涂涂覆覆层层的的金金镀镀层层在在焊焊接接时时会会完完全全溶溶融融到到焊焊料料中中，而而镍镍镀镀层层由由于于可可焊焊性性差差不不能能与与焊焊料料形形成成良良好好的的金金属属间间化化合合物物，最最终终导致元器件因焊点强度不足而容易从导致元器件因焊点强度不足而容易从PCBPCB板面脱落。板面脱落。ENIG Finish Pad 结构示意图结构示意图CuLAMINATENiAu4.1 MP3主板焊点脱落原因分析主板焊点脱落原因分析(7
19、)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-4.2.24.2.2立体显微镜外观检查立体显微镜外观检查 Ceprei-Rac-4.2.3 4.2.3 X Xray ray 检查检查 Ceprei-Rac-4.2.4 4.2.4 Dye & PryDye & Pry 检查检查 Ceprei-Rac-4.2.5 4.2.5 金相切片分析金相切片分析(1) (1) Ceprei-Rac-4.2.5 4.2.5 金相切片分析金相切片分析(2) (2) Ceprei-Rac-4.2.6 可焊性试验 Ceprei-R
20、ac-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 TEL:020-87237173 FAX:020-87237185FAX:020-87237185谢谢各位！谢谢各位！
