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技术分享：失效分析之电子篇：机械应力失效分析
时间：2022-04-13 11:44:00
来源：上海机器人产业技术研究院
作者：小R
电子类器件（如电子元器件、PCB/PCBA、IC）是电子产品、电气控制系统的基本组成部分，一旦出现故障将直接限制设备的正常运行。电子类器件的失效受温度、湿度等多种因素影响，常见的失效模式包括机械失效（组装机械应力失效、使用机械应力失效）、电化学失效（离子残留、水汽失效）、电气失效（过电应力损伤、静电放电损伤）、热失效（元器件热失效、焊点热失效、PCB板热失效）等，本期重点介绍机械应力失效。
▍机械应力及其危害
机械应力是指物体由于外因（受力/载荷、温度变化等）发生变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。板级产品PCBA生产过程中对品质的要求越来越高，不合适的机械应力作用于PCBA上，会产生不同程度的失效或潜在失效。
对于焊点而言，会使焊点可靠性下降；对于元器件而言，可能使元器件产生损伤；对于PCB而言，可能使过孔断裂、印制线路损伤等，而且难以确定根源所在。通过对失效样品的分析，找到失效根因并加以改善，可根除机械应力造成的失效或潜在失效，提升板级产品PCBA的品质水平。
为了让大家进一步了解机械应力失效，我们选取了两个典型的案例进行介绍。
▍机械应力失效案例分享
1、案例一
某电子产品天线异常，产线测试拦截。经外观检查，芯片本体无损伤，无外力撞击痕迹。
按压芯片后，天线信号恢复正常。将失效件管脚切片，发现焊球顶部开裂，故天线信号异常为芯片焊点开裂所致。
失效件外观 失效件切片形貌
对芯片所在位置做应变测试，模拟产线操作动作，测试PCB板安装、锁螺钉、测试等操作的芯片应变值，发现在组装PCB板时，板上芯片位置的应变值超标。取正常板进行大力按压，测试性能异常，金相切片后发现复现板失效形貌与原始失效板相同。故芯片失效的原因是组装PCB板应力值超过芯片焊点的阈值。
失效件切片形貌
正常件复现切片形貌
2、案例二
某产品市场返回不良品，硬件定位电容短路。万用表测试电容两端阻抗，短路。将失效电容纵向切片，发现在电容右上角陶瓷端子崩裂，并在此位置附近发现电极层熔融。
失效件外观 失效件切片形貌
排查单板组装（扣屏蔽盖、扣BTB、锁螺钉）和跌落情境下失效器件的在板应变值，发现扣BTB工序时电容器件应变值超失效阈值，失效风险高。
综上分析，电容器件失效的原因为产线扣合BTB的板形变量导致电容出现板级应力损伤（电容上端子出现裂纹），板通电后电容烧毁短路。
▍失效机理
组装制造过程中的机械应力主要有以下几个方面：(1)焊接过程中快速的冷热变化的温度差对PCBA的作用力；(2)PCBA不当拿取碰撞、跌落等对机械冲击的承受力；(3)PCBA包装防护不当，在运输过程中对振动的承受力；(4)工装设备等操作对PCBA的作用力。而上述两个组装失效均为工装设备等操作对PCBA的机械力所致。
PCBA在贴片加工、测试、运输等过程中，会不可避免的承受各种机械应力，如果这个机械应力超过了线路板所能承受极限，那么就会对电子元器件产生一些不好的影响。
失效分析中心针对板级产品失效建立了完备的失效分析服务能力，助力企业快速定位产品失效点及导致失效的原因，为提升产品的可靠性质量提供数据支撑，欢迎感兴趣的朋友与我们联系交流。
上一条：同心抗疫，聚星成河
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