基于可靠性测试的PCBA的失效机理及数值模拟研究

论文题目基于可靠性测试的PCBA的失效机理及数值模拟研究学科专业机械设计及理论指导教师黄洪钟教授作者姓名卢莲娜学号200720801050分类号密级UDC1注学位论文基于可靠性测试的PCBA的失效机理及数值模拟研究（题名和副题名）卢莲娜（作者姓名）指导教师姓名黄洪钟教授电子科技大学成都（职务、职称、学位、单位名称及地址）申请专业学位级别硕士专业名称机械设计及理论论文提交日期2010.04论文答辩日期2010.05学位授予单位和日期电子科技大学答辩委员会主席评阅人2010年月日注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要可靠性实验是在产品大规模生产前或大规模生产过程中进行的，以保证产品投入大规模生产的质量和可靠性。产品失效模式的研究，对改进生产工艺、来料质量、设计等具有十分重要的意义。本文针对电子产品组装印制电路板（PCBA）级的可靠性测试，以球珊阵列封装（BGA）、微型薄片式封装（TSOP）、印制电路板（PCB）为研究对象，通过不同的加速热循环可靠性实验的对比，研究了无铅焊点的可靠性及主要失效模式和PCB的失效模式。主要研究内容如下：1．以TSOP为研究对象，通过切片实验、光学显微镜观察、电子扫描显微镜观察、引脚拉拔等手段，发现样品的失效模式及失效机理，并用有限元模拟研究焊点的疲劳寿命。2．以BGA为研究对象，通过对比不同的加速热循环（ATC）实验和切片实验、光学显微镜观察、电子扫描显微镜观察等，研究BGA的失效模式。3．以PCB为研究对象，通过对返厂维修产品的检测和切片等实验，研究PCB的失效模式。研究结果表明：1．温度为0-100C的ATC实验和有限元仿真都被用于TSOP无铅焊点电子封装的研究。在加速热循环实验（ATC）1000，1250，1500循环后，功能测试检测到样品的失效。做失效分析实验，包括光学显微镜观察、切片实验、电子扫描显微镜观察。由于热膨胀系数的不同，导致了焊点的开裂，电性失效。有限元模拟验证了应力集中在焊点处，导致了在热循环后的焊点的开裂。有限元模拟计算出的TSOP的疲劳寿命为3181循环，比实际ATC实验得出的寿命较大。2．通过不同温度循环的引脚的拉拔实验，得出失效模式有焊点被拉开和焊盘被拉开两种方式，实验发现，随着温度循环数的增加，平均拉拔力减小，且温差越大拉拔力减小的速率越快。3．通过两种ATC实验发现，同等温度循环数下，焊点在-40C到125C的温度循环下，开裂严重，温度对焊点的影响是很严重的。通过实验发现的失效模式包括，焊盘底部树脂开裂、焊点开裂、焊点严重收缩等。4．用扫描电子显微镜观察焊点的金属间化合物（IMC）的厚度，发现IMC的厚度随温度循环的增加呈增大趋势，而且温差越大IMC的厚度增加的越快。II5．研究三种PCB失效，通孔开裂，PCB焊盘底部树脂开裂，刻蚀不足，用返厂维修PCBA典型的例子验证了失效分析和可靠性测试的必要性。6．由于高密度的封装，电镀质量的薄弱和铜腐蚀导致了通孔开裂，使返厂维修率很高。由于钻孔工艺表面不光滑，电镀铜的厚度没有达到标准，通孔内的化学残留物和铜反应，腐蚀镀铜。因此，开裂从最薄弱的位置开始延伸到整个通孔。PCB焊盘底部树脂开裂在第一次返厂维修和重复的返厂维修都有发现，PCB来料问题是导致可靠性低的主要原因，而且不能承受正常的和返修的回流次数。通常焊盘缩孔发生在用户使用阶段，PCB刻蚀不足同样也是一个重要的来料问题。腐蚀引起的枝晶生长，使相邻的元件间很容易发生短路。本文的研究成果对电子产品的失效分析有重要作用。关键词：可靠性测试、失效分析、焊点开裂、PCB焊盘下树脂开裂、疲劳寿命ABSTRACTIIIABSTRACTReliabilitytestingshouldbedonebothintheresearchanddesignprocessandinmassproductiontoensurethequalityandreliabilityofproducts.Theresearchonfailureanalysisplaysanimportantroleinprocessimprovement,incomingmaterialanddesign.Inthisthesis,reliabilitytestingofprintedcircuitboardassembly(PCBA)hasbeendone.Failureanalysisofballgridarraypackage(BGA),thinsmalloutlinepackage(TSOP),andprintedcircuitboard(PCB)havebeeninvestigated.Bycomparingdifferentacceleratedthermalcycling(ATC),failuremodeandmechanismofleadfreesolderjointhavebeeninvestigated.Theresearchesarelistedasbelow.1.ForTSOP,crosssection,opticalinspection,scanningelectronmicroscope(SEM),andleadpullhavebeenusedtodetectfailuremodeandmechanism.Moreover,finiteelementanalysis(FEA)hasbeenusedtodeterminefatiguelife.2.ForBGA,throughcomparisonofdifferentATC,crosssection,opticalinspection,andSEMhavebeenusedtogetfailuremode.3.ForPCB,thefunctiontestandfailureanalysisoffieldreturnproductshasbeenusedtodetectthefailuremode.Theresultsandconclusioncanbesummarizedasfollowing:1.Inthisstudy,0-100CATCtestupto1500cyclesandFEsimulationwereconductedforlead-freeelectronicassembliesofTSOPsolderjoints.AfterATCcyclesof1000,1250and1500,failuresweredetectedbyfunctionaltests.Thefailureanalysisexperimentswereperformedwithopticalinspection,crosssectionandSEM.ItwasfoundthatduetoCTEmismatch,seriouscrackinthebulksolderoccurredandcausedelectricalopen.FEAhasconfirmedthattherewassubstantialstressconcentrationinthesolderlayer,whichmatcheswellwiththecracklocationintheexperimentalstudy.ThecalculatedfatiguelifeofTSOPsolderjointis3181cycles,whichismuchhigherthanmeasuredoneintheATCexperiment.2.Throughdifferenttemperaturecyclingofleadpullexperiment,leadpulltestwasdonetodetectfailuremode.Brokensolderjointandpadliftedwerefoundastwofailuremodes.Itwasfoundthepullforcedecreasedalongwiththeexperimentcycle.ABSTRACTIV3.AfterdifferentATCof-40to125C,seriouscrackwasfoundinsolderjoint.ThefailuremodecontainedPCBprepregcrack,solderjointcrack,severevoidandshrinkage,andsoon.4.Theintermetalliccompound(IMC)thicknessofsolderjointincreasedwiththermalcycles.Moreover,thethicknessincreasedfasterwithalagertemperaturerange.5.ThreecommonlyencounteredPCBdefects:viaholecrack,prepregcrackandinsufficientetchingarediscussedwithintypicalexamplesfromfieldreturnedPCBAsandunitsafterreliabilitytesting.6.Itwasfoundthatduetothehighaspectratioofholesforthehighdensityapplication,weakplatingqualityandcoppercorrosionattributetotheviaholecrack,resultinginahighfieldreturnrate.Thecopperplatingthicknessisnotuptostandardduetotheroughbarrelsurfaceafterthepoordrillingprocess.Thechemicalresiduesinsidetheviaholesreactwithcopperoxidesandetchawaytheplating.Therefore,crackinitiatesattheweakplatinglocationsorcorrodedpointsandthenpropagatesacrossthewholeviahole.ThePCBprepregcrackisfoundtobeanotherproblemassociatedwiththehighrateofthefirstreturnandrepeatedreturn.Theorganicprepregmaterialdegradestoanacceptablelevelofpoorquality,whichcannotwithstandnormalreflowandreworkcycles.Consequently,padcrateringoccursinthefieldservice.InsufficientofcoppertraceonPCBisalsofoundduringtheincomingqualitycontrol.Thisincreasestheriskofcircuitshortduet