電子產(chǎn)品失效分析大全

繼電器失效分析

1、樣品描述 所送樣品是3種繼電器，其中NG樣品一組15個(gè)，OK樣品2組各15個(gè)，代表性外觀照片見(jiàn)圖1。委托單位要求分析繼電器觸點(diǎn)的元素成分、各部件浸出物的成分，確認(rèn)是否含有有機(jī)硅。

圖1 樣品的代表性外觀照片

2、分析方法 2.1 接觸電阻 首先用毫歐計(jì)測(cè)試所有繼電器A、B接點(diǎn)的接觸電阻，A、B接點(diǎn)的位置見(jiàn)圖2所示，檢測(cè)結(jié)果表示NG樣品B點(diǎn)的接觸電阻均大于100 mΩ，而2種OK樣品的A、B點(diǎn)的接觸電阻均小于100 mΩ。

圖2 樣品外觀照片

2.2 SEM&EDS分析 對(duì)于NG品，根據(jù)所測(cè)接點(diǎn)電阻的結(jié)果，選取B接點(diǎn)接觸電阻值高的2個(gè)繼電器，對(duì)于2種OK品，每種任選2個(gè)繼電器，在不污染觸點(diǎn)及其周?chē)那疤嵯拢瑢悠愤M(jìn)行拆分后，用SEM&EDS分析拆分后樣品的觸點(diǎn)及周?chē)愇锏脑爻煞帧Ｓ|點(diǎn)位置標(biāo)示如圖3所示。 所檢3種樣品共6個(gè)繼電器的觸點(diǎn)中，NG品的觸點(diǎn)及觸點(diǎn)周?chē)鷻z出大量的含碳（C）、氧（O）、硅（Si）等元素的異物，而OK品的觸點(diǎn)表面未檢出異物。典型圖片如圖4、圖5所示。

圖3 觸點(diǎn)位置標(biāo)識(shí)（D指觸點(diǎn)C反面）

圖4 NG樣品觸點(diǎn)周?chē)愇颯EM&EDS檢測(cè)結(jié)果典型圖片

圖5 OK樣品觸點(diǎn)的SEM&EDS檢測(cè)結(jié)果典型圖片

2.3 FT-IR分析

在不污染各部件的前提下，將2.2條款中剩下的繼電器進(jìn)行拆分，并將拆分后的部件分成3組，即A組（接點(diǎn)、彈片（可動(dòng)端子、固定端子））、B組（鐵片、鐵芯、支架、卷軸）、C組（漆包線），分別將A、B、C組部件裝入干凈的瓶中，見(jiàn)圖6所示，處理后用FT-IR分析萃取物的化學(xué)成分，確認(rèn)其是否含有有機(jī)硅。

圖6 拆分后樣品的外觀照片

結(jié)果表明，所檢3種樣品各部件的萃取物中，NG樣品B組（鐵片、鐵芯、支架、卷軸）和C組（漆包線）檢出有機(jī)硅，其他樣品的部件未檢出有機(jī)硅。典型圖片見(jiàn)圖7所示。

圖7 NG品C組部件萃取物與聚二甲基硅氧烷的紅外吸收光譜比較圖

3、結(jié)論

1）所檢3種繼電器樣品中，NG品B接點(diǎn)的接觸電阻均大于100mΩ，不符合要求；而OK品A、B接點(diǎn)的接觸電阻及NG品A接點(diǎn)的接觸電阻均小于100mΩ，符合要求； 2）所檢3種繼電器（2個(gè)/種）的觸點(diǎn)中，NG品的觸點(diǎn)及觸點(diǎn)周?chē)鷻z出大量的含碳（C）、氧（O）、硅（Si）等元素的異物，而OK品的觸點(diǎn)表面未檢出異物；3）所檢3種繼電器（13個(gè)/種）部件的萃取物中，NG品B組（鐵片、鐵芯、支架、卷軸）和C組（漆包線）檢出有機(jī)硅，其他樣品的部件未檢出有機(jī)硅。

聚合物分析

1、樣品描述

所送樣品是2種黑色防紫外線扣，其外觀照片見(jiàn)圖1。委托單位要求確定2種樣品的主成分是否為尼龍，如果是尼龍，再確定是尼龍6還是尼龍66。

圖1 樣品的外觀照片

2、分析方法及結(jié)論

2.1用顯微紅外光譜儀（FT-IR）分析樣品是否為尼龍，2種黑色防紫外線扣與尼龍的紅外吸收光譜比較圖如下，由此得出2種樣品的主成分相同，均為尼龍（Nylon）。

圖2 2種黑色防紫外線扣與尼龍的紅外吸收光譜比較圖

2.2用示差掃描量熱儀（DSC）測(cè)試樣品的熔點(diǎn)，確認(rèn)樣品是尼龍6還是尼龍66。結(jié)果顯示所檢"11" 黑色防紫外線扣的熔點(diǎn)為260.8℃，"13" 黑色防紫外線扣的熔點(diǎn)為261.2℃，即2種黑色防紫外線扣的熔點(diǎn)與尼龍66的相近。（備注：尼龍6的熔點(diǎn)為215～225℃，尼龍66的熔點(diǎn)為250～260℃）

漏電失效 （CAF）

一、樣品描述：

手機(jī)開(kāi)機(jī)固定的鍵開(kāi)始自動(dòng)撥號(hào)。

二、電性能測(cè)試

電性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)失效品的總線R366與6、7、8號(hào)鍵間的阻值為0.01 MΩ，而正常品R366與6、7、8號(hào)鍵間的電阻值為4.68MΩ，即失效品R366與6、7、8號(hào)鍵有短路。且6、7、8處波形異常。

三、金相分析

圖5 失效孔位置陽(yáng)極導(dǎo)電絲圖片

四、分析結(jié)論

間存在陽(yáng)極導(dǎo)電絲導(dǎo)致漏電失效是引起產(chǎn)品自動(dòng)撥號(hào)的原因。

焊點(diǎn)開(kāi)裂（黑焊盤(pán)）

一、 樣品描述：

在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)板上BGA器件存在焊接失效，用熱風(fēng)拆除BGA器件后，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)PCB焊盤(pán)存在不潤(rùn)濕現(xiàn)象。

二 、染色試驗(yàn)：

焊點(diǎn)開(kāi)裂主要發(fā)生在四個(gè)邊角上，且開(kāi)裂位置均為BGA器件焊球與PCB焊盤(pán)間。

三、 金相及SEM分析

四、 綜合分析 對(duì)所送PCBA器件焊點(diǎn)進(jìn)行分析，均發(fā)現(xiàn)已失效器件和還未失效器件焊點(diǎn)在IMC與Ni層的富磷層（P-Rich）間存在開(kāi)裂，且鎳層存在腐蝕；在焊接過(guò)程中，Sn與Ni反應(yīng)生成Sn/Ni化合物，而鎳層中的磷不參與合金反應(yīng)，因此多余的磷原子則會(huì)留在鎳層和合金層界面，過(guò)多的P在鎳和IMC界面富集將形成黑色的富磷（P-Rich）層，同時(shí)，存在的鎳層腐蝕會(huì)影響焊料與鎳層的結(jié)合，富磷層和鎳層腐蝕的存在會(huì)降低焊點(diǎn)與焊盤(pán)之間的結(jié)合強(qiáng)度；當(dāng)焊點(diǎn)在組裝過(guò)程中受到應(yīng)力時(shí)，會(huì)在焊點(diǎn)強(qiáng)度最弱處發(fā)生開(kāi)裂，BGA封裝角部焊點(diǎn)由于遠(yuǎn)離中心點(diǎn)，承受的應(yīng)力更大，故開(kāi)裂一般會(huì)先發(fā)生在角部。由于未發(fā)現(xiàn)板子嚴(yán)重翹起、器件機(jī)械損傷等異常應(yīng)力作用的特征，因此導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)裂的應(yīng)力可能來(lái)自于回流焊接或者波峰焊接過(guò)程等環(huán)境中所受到的正常應(yīng)力。 同時(shí)，同批次及相鄰批次PCB樣品（生產(chǎn)日期0725和0727）Au/Ni焊盤(pán)SEM&EDS的分析結(jié)果也表明，PCB焊盤(pán)Ni層也存在一定腐蝕。 由以上分析可得，由于較厚富磷層（P-Rich）及鎳層腐蝕的存在，將降低焊點(diǎn)與焊盤(pán)之間的結(jié)合強(qiáng)度，使得該處成為焊點(diǎn)強(qiáng)度最薄弱的地方，在受到正常應(yīng)力情況下，發(fā)生開(kāi)裂失效。

五、分析結(jié)論（1）BGA器件焊接失效表現(xiàn)為焊點(diǎn)存在100%開(kāi)裂，開(kāi)裂位置發(fā)生在IMC與PCB焊盤(pán)Ni層的富磷層（P-Rich）間。（2）導(dǎo)致BGA焊點(diǎn)開(kāi)裂的原因是，焊點(diǎn)中PCB面焊盤(pán)鎳層存在腐蝕以及鎳層表面富磷層的存在降低了焊點(diǎn)與焊盤(pán)的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度，當(dāng)受到正常應(yīng)力作用時(shí)發(fā)生開(kāi)裂失效。

上錫不良

一、樣品描述：

委托單位稱(chēng)上述PCBA存在明顯的吃錫不良現(xiàn)象（圖中紅色箭頭標(biāo)示處），且上錫不良均發(fā)生在第二次焊接面，通過(guò)改變錫膏、PCB板及不同的生產(chǎn)線都無(wú)法改善。

二、外觀檢查

上錫錫不良焊點(diǎn)在PCB焊盤(pán)一側(cè)呈現(xiàn)明顯的不潤(rùn)濕或反潤(rùn)濕現(xiàn)象，焊料全部流向元器件可焊端。

三、 金相分析

PCB焊盤(pán)吃錫不良的焊點(diǎn)中焊料在PCB焊盤(pán)一側(cè)均存在潤(rùn)濕不良，不潤(rùn)濕處PCB焊盤(pán)表面可見(jiàn)明顯的金屬間化合物，焊料潤(rùn)濕不良處PCB焊盤(pán)表面可焊性鍍層不明顯。

四、分析結(jié)論

PCB焊盤(pán)的可焊性鍍層厚度不均勻，局部位置的可焊性鍍層偏薄，在經(jīng)過(guò)一次回流焊接后，錫鉛可焊性鍍層與PCB Cu焊盤(pán)之間形成合金，降低了PCB焊盤(pán)的可焊性?？珊感越档妥罱K引起上錫不良。

USB失效分析典型案例

1.失效現(xiàn)象：

樣品為4PCS USB殼，外觀照片見(jiàn)圖1，申請(qǐng)單位反映這些USB金屬殼表面生銹，需分析USB鐵殼生銹的原因。

2 分析過(guò)程

2.1 外觀檢查

目測(cè)USB殼外觀，發(fā)現(xiàn)外被覆有透明塑膠層的USB金屬殼表面呈現(xiàn)紅色銹斑（見(jiàn)圖2），而暴露在外面的未被覆透明塑膠層的USB殼表面則較清潔，呈現(xiàn)金屬光澤（見(jiàn)圖3）。

2.2 SEM觀察和EDS分析

分別對(duì)USB殼銹蝕部位（殼體及尾部）及正常USB殼表面進(jìn)行SEM&EDS分析，代表性SEM照片及能譜圖詳見(jiàn)圖4、圖5， 測(cè)試樣品的SEM 照片顯示：USB殼銹蝕部位均檢出碳（C）、氧（O）、鐵（Fe）、鎳（Ni）元素及高含量的強(qiáng)腐蝕性的硫（S）、氯（Cl）元素，同時(shí)還檢出較高含量的錫（Sn）元素；正常USB殼表面僅檢出鐵（Fe）、鎳（Ni）元素。

2.3 紅外光譜分析（FT-IR）

按GB/T 6040-2002的方法，取適量USB殼外被覆塑膠，將其置于紅外顯微鏡下進(jìn)行紅外光譜分析，檢測(cè)結(jié)果顯示USB殼外被覆塑膠材質(zhì)為聚氯乙烯（PVC）。

3 分析結(jié)論

1）USB殼在氯（Cl－）、硫（S2－）、錫（Sn）元素、氧（O2）及水（H2O）等的作用下發(fā)生腐蝕，同時(shí)USB殼的表面鍍層存在針孔、裂紋等缺陷也會(huì)加速USB殼的腐蝕。

2）腐蝕性的氯（Cl）、硫（S）元素及雜質(zhì)錫（Sn）元素可能來(lái)源于USB產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中的過(guò)程污染，其中氯（Cl）元素也有可能來(lái)源于其外被覆PVC塑膠層的降解。

高壓瓷介電容器—吸潮漏電擊穿

1. 樣品名稱(chēng)：高壓瓷介電容器

2. 背景：交變潮熱后耐壓試驗(yàn)。

3. 失效模式：漏電擊穿。

4. 失效機(jī)理：潮熱吸水造成漏電擊穿。

5. 分析結(jié)論：電容器擊穿是由于瓷體存在裂紋，裂紋的存在一方面加劇了電容器邊緣電場(chǎng)分布的不均勻程度，另一方面可能使電容器在交變濕熱試驗(yàn)后殘留水分，降低了電容器的抗電強(qiáng)度。裂紋形成的原因可能是瓷體燒前的機(jī)械劃痕或者成型時(shí)原料中混入了可燃性異物。

6. 分析說(shuō)明： 電容器擊穿部位包封料已脫落，擊穿部位銀電極發(fā)生局部熔融，并向四周散開(kāi)（圖1，圖2）；擊穿部位電容器的側(cè)面有明顯的燒痕跡，說(shuō)明電容器邊緣發(fā)生擊穿。 在顯微鏡下觀察，擊穿部位明顯的裂紋，圖3。能譜分析表明，擊穿通道上玻璃相有微裂紋。

FCBGA封裝器件的失效分析與對(duì)策

1 引言

隨著硅單芯片集成度不斷提高，對(duì)集成電路封裝要求更加嚴(yán)格，I/O引腳數(shù)急劇增加，功耗也隨之增大。為滿足發(fā)展的需要，減少器件的寄生電感、噪聲，傳統(tǒng)引線鍵合形式逐步被新型封裝形式所取代。在原有封裝品種基礎(chǔ)上，倒裝芯片球柵陣列封裝利用焊球凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)芯片與封裝基板的電連接，把裸芯片正面朝下安裝在基片上，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖（1）成為高密度、高性能、多功能及高I/O引腳封裝的最佳選擇[1]。

向下朝放的芯片表面與基板之間的空隙（solder bump的高度）填充著非導(dǎo)電的填充物underfill，通常為環(huán)氧樹(shù)脂。該underfill的作用為（1）保護(hù)焊球凸點(diǎn)不受潮氣、空氣或其他化學(xué)物質(zhì)影響；（2）減少芯片與基板之間的熱失配問(wèn)題，減少分層現(xiàn)象或熱疲勞損傷引起的失效。但是，F(xiàn)CBGA封裝器件制造過(guò)

程中會(huì)經(jīng)歷多個(gè)高溫階段，芯片與封裝基板之間的熱膨脹系數(shù)不同，很容易由于熱膨脹不匹配而產(chǎn)生破裂或分層現(xiàn)象，加劇了焊球可靠性的退化。無(wú)鉛焊球工藝的引入使工藝和焊接溫度提高，加大了焊球間短路的可能性；同時(shí)，Sn含量的增加和封裝焊球間距的縮小加劇了錫須****的幾率，對(duì)其可靠性及相關(guān)影響因素需要進(jìn)一步的研究。

2 試驗(yàn)與分析結(jié)果

2.1 倒裝芯片上焊球間短路的案例分析

DSP處理器經(jīng)失效模式驗(yàn)證，確認(rèn)很多電源焊球與地之間短路，特別是內(nèi)核電壓大部分焊球與地短路。通過(guò)逐層剝層并將樣品芯片整個(gè)露出，可見(jiàn)芯片上的焊球之間明顯存在短路通道（圖2）。圖3為焊球間短路的局部放大圖。

透過(guò)圖3所示的剖面層，也可以清楚看見(jiàn)該層之下層面存在大量的焊球間短路現(xiàn)象。X射線****檢查驗(yàn)證了短路通道在觀察剖面和剖面下都存在，圖4。

為了進(jìn)一步確認(rèn)短路處的成分，對(duì)焊球間的連接物進(jìn)行能譜成分分析（圖5～6），能譜分析結(jié)果表明，短路處材質(zhì)和焊球材質(zhì)相同，均為鉛錫焊料，焊料含鉛量在22%～32%左右。對(duì)好品的焊球也進(jìn)行能譜分析，焊球?yàn)楹U約23%的鉛錫合金，與失效樣品焊料成分相同。

考慮到BGA封裝過(guò)程中采用回流焊接工藝連接芯片焊球與PCB襯底，焊料在此過(guò)程中會(huì)熔化。因此判斷短路是在回流焊接時(shí)形成的，是焊球在高溫時(shí)熔融形成的短路通道。

FCBGA封裝器件，經(jīng)失效模式確認(rèn)，樣品大部分管腳與地之間為開(kāi)路。進(jìn)行cross－section分析，發(fā)現(xiàn)芯片上的焊球多處發(fā)生斷裂開(kāi)路，如圖7所示。

該樣品為塑料FCBGA封裝，對(duì)潮濕非常敏感，在高溫條件下，它能使封裝器件與襯底裂開(kāi)。這是由于芯片與基板之間所填充的環(huán)氧樹(shù)脂容易吸附潮氣，當(dāng)器件被加熱到再流焊溫度時(shí)，它所吸附的潮氣就會(huì)汽化，在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)造成大的應(yīng)力，水汽如果在粘模片下的襯底上形成氣泡，將導(dǎo)致炸裂。如果吸附的潮氣很多，那么炸裂就會(huì)很厲害，使芯片凸點(diǎn)與封裝基板之間發(fā)生裂縫分層、焊球斷裂，最終導(dǎo)致多個(gè)管腳與地之間開(kāi)路失效。

3 預(yù)防與改進(jìn)

FCBGA封裝器件很容易受回流焊工藝的影響，發(fā)生因underfill膨脹分層而焊球斷裂開(kāi)路的狀況，或者高溫焊接過(guò)程導(dǎo)致焊球熔融、連接形成短路通道的失效現(xiàn)象。因此，必須嚴(yán)格控制好FCBGA的安裝及使用過(guò)程。

在安裝前，最好把器件放在125℃的烤箱中烤24小時(shí)，且這種烘烤最好能在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。否則，回流焊中的高溫很容易導(dǎo)致吸潮的環(huán)氧樹(shù)脂汽化炸裂。塑料FCBGA屬于濕敏性元件，出廠時(shí)均是采用真空包裝，但在運(yùn)輸周轉(zhuǎn)過(guò)程中很容易破壞其真空包裝，導(dǎo)致元件受潮和焊球氧化，受潮器件在安裝拆卸時(shí)易發(fā)生水汽汽化導(dǎo)致封裝器件與襯底裂開(kāi)的失效現(xiàn)象。非真空的元件應(yīng)該放入低濕柜中按要求進(jìn)行貯存，防止器件吸潮和焊球的氧化。同時(shí)按"先進(jìn)先出"的原則進(jìn)行控制，盡量降低貯存風(fēng)險(xiǎn)。

受潮的P-FCBGA在使用前必須進(jìn)行除濕處理，BGA的除濕通常有低溫除濕和高溫除濕兩種。

（1）低溫除濕是采用低濕柜除濕，除濕比較費(fèi)時(shí)，通常在5%的濕度條件下，需要192小時(shí)；

（2）高溫除濕是采用烘箱除濕，除濕時(shí)間比較短，通常在125℃條件下，需要24小時(shí)。

實(shí)際中，對(duì)那些非真空包裝的元件進(jìn)行高溫除濕后，放入低濕柜中貯存，以縮短除濕的周期。對(duì)濕度嚴(yán)重超標(biāo)的封裝建議采用低溫除濕，而不采用高溫除濕，由于高溫除濕的溫度較高（大于100攝氏度）而且速度快，如果濕度較高，會(huì)因?yàn)樗值募贝倨鴮?dǎo)致元件失效。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，真空包裝的元件拆封后，必須交叉檢查包裝的濕度卡，濕度卡上的濕度標(biāo)示超標(biāo)時(shí)，不得直接使用，必須進(jìn)行除濕處理后方可使用。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)用非真空包裝的元件時(shí)，必須檢查該料的濕度跟蹤卡，以確認(rèn)該料的濕度狀態(tài)，無(wú)濕度跟蹤卡的非真空包裝的元件不得使用。同時(shí)嚴(yán)格控制BGA在現(xiàn)場(chǎng)的使用時(shí)間和使用環(huán)境，使用環(huán)境應(yīng)該控制在25攝氏度左右，濕度控制在40-60%之內(nèi)，BGA現(xiàn)場(chǎng)的使用時(shí)間應(yīng)控制在24小時(shí)以內(nèi)，超出24小時(shí)的BGA必須重新進(jìn)行除濕處理。

同時(shí)，必須嚴(yán)格控制好回流焊的溫度、時(shí)間，一定要依據(jù)BGA制造商提供的數(shù)據(jù)，防止損壞BGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或由于再流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成的器件損壞。一般再流焊條件為：最佳溫度215℃，最高溫度低于240℃，熔化溫度183℃下保持30～60秒。適用于Sn63Pb37再流焊各階段的溫度控制曲線可參考圖8。

4 結(jié)論

1）FCBGA器件中的焊球在高溫焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊球熔融、連接形成短路通道的失效現(xiàn)象。

2）FCBGA 封裝器件容易受回流焊工藝的影響，發(fā)生因焊球間填充物（underfill）膨脹分層、焊球斷裂而開(kāi)路失效。

3）FCBGA是濕敏性元件,使用前需進(jìn)行除濕處理。