焊点疲劳失效案例研究
车门开闭耐久焊点失效优化分析研究
车辆工程技术32车辆技术0 引言 车门作为驾驶人和乘员出入车辆的通道，并隔绝车外干扰，保护乘员等作用，需要承受经常开关车门的动态冲击载荷作用。
一辆非营运载客车辆在15年的使用年限内开关车门的总次数大约为：15×365×12（每天开关车门次数）=65700次[1]。
对于营运载客车辆，以使用频率较高的右后车门为例，计算一辆出租车在8年的使用年限内开关右后门的总次数大致为：8×365×47.2（对5辆出租车连续45天的运行情况进行了车门使用频率统计的平均每天使用频率）=137824[1]。
另中华人民共和国汽车行业标准QC/T 323－2007《汽车门锁和车门保持件》[2]中5.2.5开闭耐久试验，规定用内开和外开方式各做5×104次往复开闭试验，共计10万次，多数主机厂用车门开闭耐久次数不小于10万次作为设计目标。
车门作为用户操作最频繁的总成之一，其开关操作耐久性是每个主机厂需要设计并验证的性能之一，也是用户直接体验度很高的一项性能。
在实际使用过程中，由于车门的频繁开关，可能会发生疲劳破坏，从而导致车门钣金开裂、车门焊点开裂、车门锁扣出现松动、车门玻璃升降异常、车门下垂干涉、车身侧出现密封条磨痕、车门在关闭状态下面差增大等问题，因此在汽车设计开发过程中，车门的开闭耐久性能已然成为评价汽车品质好坏的重要指标。
1 问题描述及分析 某车门在做开闭耐久试验时下防撞梁焊点出现失效问题。
其中车门开闭57000次时可见第1处焊点失效、开闭100000次时可见第2处焊点开裂，不满足100000次目标要求，下防撞梁焊点失效如图1所示。
图1 车门开闭耐久试验焊点失效图 车门频繁开闭过程中，在车门锁扣、铰链和车身连接处产生冲击疲劳或局部振动疲劳，在循环交变较高载荷作用下，破坏前的循环次数较少，小于1×105次，属于低周疲劳。
采用有限元方法在产品设计开发阶段进行疲劳寿命预测，可以精确地发现问题并快速地解决问题，提高设计质量，缩短产品开发周期。
焊点失效引起的重大事故案例
焊点失效引起的重大事故案例
焊点失效是制造业中一个十分严重的问题，可以引起重大的安全事故。
以下是一起焊点失效引起的重大事故案例：
案例描述：
2005年，美国德克萨斯州的一家炼油厂的蒸馏塔因焊点失效而发生爆炸，导致15人死亡，超过170人受伤。
经过调查，事故是由于焊接
不合格、缺乏维护和检测等多种因素导致的。
具体过程：
这个蒸馏塔是用一种被称为“细孔”焊接的技术连接的，但由于操作
人员在焊接过程中没有正确控制温度，导致焊缝区域受到过度热量的
影响，从而引发了焊接瑕疵。
而且，由于之前的维护记录并不完善，
这个焊缝区域的问题一直未被发现和修复。
随着时间的推移，蒸馏塔
中的压力和温度逐渐升高，最终在2005年3月23日发生爆炸。
事后处理：
事故发生后，该公司进行了全面的检查和改进。
他们增加了对焊点的
检查和维护工作，提高了操作人员的培训水平，加强了安全管理和监管。
同时，该公司还向受害者的家属支付了巨额赔偿，并积极向社会
公众道歉，承担起了应有的社会责任。
启示：
焊点失效问题的发生往往是由于多种因素的复合作用，如焊接技术不合格、设备维护不当、操作人员失误等。
在预防焊点失效问题时，需要重视相关的技术、设备和人员管理方面的问题，尤其要加强对设备的维护和检测工作，确保设备的安全运行。
在事故发生后，及时采取有效的应对措施，向公众公开事故信息并承担相应的责任，是重建信任和维护企业声誉的重要举措。
倒扣芯片连接焊点的热疲劳失效
图 1 倒扣芯片中焊点 的微组织粗化( a) 以 及裂缝的典 型位置( b) F ig . 1 M icr ostr uct ur e co ar sening aft er 348 ther mal cycling test ( a ) and cr ack for matio n after failur e ( b) in solder jo ints fo r B ty pe flip chip packages w ith under fill
3 有限元模拟
3. 1 三维几何构型的产生
本文利用 ANSYS 软件建立了 B 型、D 型倒扣 芯片连接器件的三维有限元几何构型. 考虑到对称 性, 模拟时取用倒扣芯片连接封装结构的 1/ 8, 具体 的几何尺寸与实验一致. 图 4( a ) 给出了模拟中有限 元网格, 为了显示焊点, 图 4( b) 给出了其网格细部. D 型 1/ 8 构型有 4518 个元素, 5140 个节点, B 型 1/ 8 构型共有 9390 个元素, 10498 个节点.
本文实验测定了倒扣芯片连接器件有无芯下填 料时 SnPb 焊点的温度循环失效, 并利用三维有限 元模拟研究了芯下填料对焊点寿命的影响, 建立了 半经验 Cof fin-Manso n 方程来预报焊点寿命, 同时 对三维模拟结果和二维模拟结果进行了比较.
2 实验部分
2. 1 实验方法
实验芯片为美国 Flip Chip T echnolog y 公司生 产的倒扣芯片连接试验芯片, 有 B、D 型两种, B 型 芯片的尺寸为 5. 6m m×6. 4mm, 焊球数 96, 焊球间 距 203 m; D 型芯片的尺寸为 6. 3mm ×6. 3mm, 焊 球数 48, 焊球间距 457 m, 两种芯片的焊球均使用 共晶锡铅焊料, 熔点 183℃, 并且焊球均分布于芯片 四周. 实验印刷电路板采用德国 Siem ens 公司生产 的倒扣芯片连接试验用 F R4 印刷电路板, 其焊区为 镀金铜焊盘. 芯片与电路板的焊接采用回流焊工艺, 助焊剂 使用 L R 721H2BG A 免 清洗助焊剂. 芯片设 计使所有焊点连接成串联结构, 在焊接完成后, 通过 电路板上输入输出引线可以完成对焊点的电学测 量. 芯 下填料为美国 Namics 公司生产的 U8437-3 免清洗芯下填料, 并在 150℃固化 20m in.
焊点热疲劳失效原因分析
焊点热疲劳失效原因分析张伟;王君兆;邓胜良;马聪【摘要】A PCBA sample has a functional failure after using about six months. After package, the PCBA is overall glued. Some devices directlyfall off after peeling failed samples. Samples are analyzed by means of surface morphologic observation, micro cross section inspection, EBSD analysis, stress analysis, thermal expansion coefficient test and so on. The results show that the presence of thermal mismatch of materials, and a large amount of solder joint defects and the stress concentration accelerate solder joint fatigue failure process, which cause functional failure of PCBA.%某PCBA样品在使用约半年后出现功能失效，该PCBA在封装后进行整体灌胶，将失效样品剥离，发现部分器件直接脱落，通过表面观察、切片分析、EBSD分析、应力分析、热膨胀系数测试等手段对样品进行分析，结果表明：各封装材料存在热失配，且焊点缺陷较多且存在应力集中区，加速焊点的疲劳失效进程，导致PCBA功能失效。
【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2016(034)005【总页数】4页(P71-74)【关键词】EBSD;热疲劳;应力集中;热失配【作者】张伟;王君兆;邓胜良;马聪【作者单位】深圳市美信检测技术股份有限公司，深圳 518000;深圳市美信检测技术股份有限公司，深圳 518000;深圳市美信检测技术股份有限公司，深圳518000;深圳市美信检测技术股份有限公司，深圳 518000【正文语种】中文【中图分类】TB333失效样品为封装后整体灌胶的路灯电源PCBA，该PCBA在使用约半年后出现功能失效，失效比率约10 %，将失效样品的胶剥离后，发现部分二极管直接脱落，脱落二极管的引脚材料为A42（铁镍合金），引脚表面镀铜镀纯锡，PCB焊盘为OSP焊盘。
第四章_焊点疲劳失效机理可靠性评价方法-修订版
热疲劳失效的三个因素
焊点疲劳失效的三个重要因素 ① 热膨胀系数不匹配 ② 温度差 ③ 周期性工作 焊点疲劳失效过程： 温度变化导致的热应力---焊点应变（蠕变应变）---焊点金属学变化和疲
劳损伤----焊点开裂失效
焊点应力--------焊点材料特性
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a) 热膨胀系数（CTE）不匹配
4.3.4 焊点的失效分析
染色试验 金相切片分析 当菊花链的电阻超过20％或者电阻超过300欧姆时，器 件失效－－－如何能够准确定位到失效焊点 －－－从哪里判断焊点疲劳失效的特征
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染色渗透试验
原理 通过将样品置于染色液中，让染 色液渗透到有裂纹或孔洞的地方。 垂直剥离已经焊上的元器件，其引 线脚与焊盘将从有裂纹或孔洞等薄 弱界面分离，元器件分离后被染红 的焊点界面将指示该处在强行剥离 前存在缺陷，即焊点不良部位被检 测到。
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常用的温度循环加速试验条件
温度范围设置 Tmax：100℃ Tmin：0℃
高低温停留时间
有铅：10min 无铅：10min～30min 温度变化速率 <20°C/min 推荐10°C/min～15°C/min
常用的温度循环加速试验条件
IPC-9701
TC1 TC2 0°C+100°C (Preferred Reference) -25°C +100°C
全局不匹配
器件和PCB不同的热膨胀系数所导致； 由不同的热膨胀系数和温度产生； 全局热不匹配的范围一般为：2-14ppm/℃ 全局热不匹配通常较大：CTE 差大和对角线距离等都较大 全局不匹配将会导致周期性的应力应变，并导致焊点疲劳失效。
先进封装缺陷及失效案例解析
先进封装缺陷及失效案例解析
先进封装是一种高度集成、高性能、高可靠性的封装技术，但仍然存
在一些缺陷和失效模式。
1.焊点疲劳：焊点在长期受到温度变化的影响下，容易发生疲劳断裂，导致电气连接失效。
这种失效模式主要影响球格阵列封装（BGA）和无线
通讯模块。
2.器件间隙裂缝：由于先进封装技术的高度集成和微型化，器件之间
的间隙非常小，容易因应力过大而发生裂缝，导致封装失效。
这种失效模
式主要影响焊盘球接触型封装（CSP）和BGA封装。
3.热膨胀不匹配：不同材料的膨胀系数不同，先进封装中各种材料之
间的热膨胀系数不匹配，容易导致封装失效。
这种失效模式主要影响CSP
和BGA封装。
4.气泡：由于先进封装技术采用高温焊接和高压注塑等工艺，容易导
致气泡生成。
气泡会导致器件连接失效，并且会使封装的温度敏感性增加。
这种失效模式主要影响CSP和BGA封装。
5.毛刺：封装过程中，可能会出现毛刺，这些毛刺可能会导致器件的
短路或信号干扰。
这种失效模式主要影响CSP和BGA封装。
6.接地电路不良：由于先进封装技术中，器件的接地通常通过焊盘来
实现，因此焊盘接地不良会导致器件失效。
这种失效模式主要影响CSP和BGA封装。
针对这些失效模式，可以采用一些措施来提高封装的可靠性，例如控
制焊接温度、优化焊接工艺、提高材料匹配度等。
同时，在封装设计和生
产过程中，也需要严格的质量管理和测试，以确保产品的可靠性和稳定性。
焊点失效分析技术与案例-经典
1.0 PCBA焊点可靠性的位置与作用
电子电 器核心
PCBA (Printed Circuit Board Assembly 印制电路组件 )
焊 点 可 靠 性
互连可靠性 （压 其接 它绑 ）定
PCB 可 靠 性
可元 靠器 性件
1.1 导致PCBA互连失效的主要的环境原因
Source: U.S. Air Force Avionics Integrity Program
镍镀层的组成EDX分析（P含量偏低）
4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(7)
Au Ni Cu LAMINATE
ENIG Finish Pad 结构示意图
分 析 结 论
PCB焊盘金镀层和镍镀层结构不够致密，表面存在裂缝，空气中的水份容 易进入以及浸金工艺中的酸液容易残留在镍镀层中；同时镍镀层磷含量 偏低，导致了镀层耐酸腐蚀性能差，容易发生氧化腐蚀变色，出现 “黑 焊盘”现象，使镀层可焊性变差。通常作为可焊性保护性涂覆层的金镀 层在焊接时会完全溶融到焊料中，而镍镀层由于可焊性差不能与焊料形 成良好的金属间化合物，最终导致元器件因焊点强度不足而容易从PCB板 面脱落。
1.2 PCBA焊点的主要失效模式
主要失效模式
假 焊 虚 焊
机 械 强 度 低
疲 劳 寿 命 低
腐 蚀
其 他
1.3 PCBA焊点形成过程与影响因素
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
1.3.1 焊点形成的关键－润湿过程分析
FA－Case1: MP3主板焊点脱落原因分析 FA－Case2：FPC焊盘失效分析（1853） FA－Case3：CMOS/CS 焊点开路失效分析（1773）
焊接结构疲劳与失效
下图是几种设计方案的正误比较。
焊缝
推荐
力求避免
大型输油管道，原来设计(下图a)是采用平钢板卷圆， 焊纵缝形成圆筒节，然后圆筒节再对接，焊环缝形成管 道。这样制造工序多，使用工装多而且复杂，效率低。 现改设计成螺旋管(下图b)，用卷钢在生产流水线上一 边卷成螺旋管的形状，一边用co2气体保护焊焊接内外螺 旋状焊缝，然后按需要切成不同长度的管道。这种生产 方式效率很高。
图c：正面搭接焊缝的焊脚尺寸为1：2，其疲劳强度达 到母材的49%； 图e：搭接接头焊缝的焊脚尺寸为1：3.8，并经机械加 工使焊缝向母材平滑过渡，但成本太高，不肯采用。
2、焊接残余应力的影响； （1）构件内有拉应力时，其疲劳强度下降； 拉应力与载荷应力相叠加使应力循环提高， 故疲劳强度下降。 （2）构件内有压应力时，其疲劳强度提高；
图3-9 加载速度对σs的影响 韧—脆转变温度与应变速率的关系
（3）应力状态的影响
物体受外力时，主平面上作用有σmax，与主 平面成45°平面上作用有τmax。 若τmax未达到屈服点，σmax先达到σb则发 生脆断； 一般材料处于单轴或双轴拉伸应力下，可呈塑 性状态；
若材料处于三轴拉伸应力下，不易出现塑性而 呈脆性状态。
（5）相同的缺陷位于应力集中区的影响大于均匀 应力区； （6）同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳 强度影响不同；(例强度高低) （7） 在相同的应力循环下，应力集中区的裂纹 扩展大于均匀应力场。
三、提高焊接结构疲劳强度的措施
一般采取以下措施： 1、降低应力集中 （1）采用合理的结构形式 1免三向焊缝空间交汇； 5）避免永久性垫板。
焊接结构生产过程的两类应变时效： 1）应变时效脆化：（剪切、冷矫正、弯曲） 产生塑性变形 经150∽450℃加热引起应变时 效，导致脆性化。（加热前塑性变形） 2）热应变脆化：［刻槽（近缝区）、焊接缺 陷］，经150∽450℃加热产生焊接应力－应变集 中，导致较大塑性变形，引起的应变时效。（加 热后由应力导致塑性变形） 以上焊后经550∽650℃热处理，可消除两类应 变时效并恢复其韧性，同时可消除焊接应力。
TA1纯钛点焊接头的疲劳性能分析
连接及质量检测分析'结构可靠性设计& 通信作者曾"凯"&RT;%# !男!云南昆明人!硕导!博士!主要从事
T<8#RB6=9"U698@ G-<5@,#,">EG& =B96E#8<-#B; ?U"8V65!#-R W"#-8
IB$K!7@'-4! 1B$KL'&! 2B%&'(;(-4! 12#$KM(-4! 0B8.'( " I';7=?@(9D*;<'-&;'='-A B=*;?3&;'=B-4&-**3&-4! L7-)&-4 "-&C*36&?@(9:;&*-;*'-A .*;<-(=(4@! L7-)&-4 ;K%K%%#
新型薄板材料连接技术的研究&
发展迅速& Z8'S等 *#+ 对 搅 拌 摩 擦 焊 :M# 钛 合 金 的 焊 接
接头组织进行了研究!得 出 :M# 钛 合 金 搅 拌 摩 擦 焊 接头焊合区组织为细密的等轴晶!焊缝与母材过渡 区域 存 在 大 量 $N% 界 面 相 及 界 面 产 物 对 接 头 力 学 性能造成不良影响& 王 利 发 等 *K+ 对 :8&K 钛 合 金 板 材电子束焊接试样进行了疲劳实验和扫描电子显微 镜" H3/# 分析!发现 疲 劳 裂 纹 大 多 起 源 于 焊 接 热 影 响区的气孔处& 陈睿*;+ 利用断口定量分析的方法! 研究了钛合金电子束焊接头疲劳质量及分布规律&
(仅供参考)焊点疲劳强度研讨
焊点疲劳强度研讨一．疲劳强度电子元器件的焊点必须能经受长时间的微小振动和电路发散的热量。
随着电子产品元器件安装密度的增加，电路的发热量增加，经常会发生焊接处的电气特性劣化，机械强度下降或出现断裂等现象。
材料在变动载荷和应变长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。
疲劳是一种低应力破坏。
二．提高疲劳强度性能的方法2．1提高焊点的可靠性提高焊点可靠性的最好方法有三个：提高焊点合金的耐用性；减少元件与PCB之间热膨胀系数（CTE）的失配；尽可能按照实际的柔软性来生产元件，向焊点提供更大的应变；2．1．1提高焊点合金的耐用性2．1．1．1选择合适的焊膏2．1．1 润湿性能对于焊料来说，能否与基板形成较好的浸润，是能否顺利地完成焊接的关键。
如果一种合金不能浸润基板材料，则会因浸润不良而在界面上产生空隙，易使应力集中而在焊接处发生开裂。
焊料的润湿性主要的指标浸润角和铺展率。
从现象上看，任何物体都有减少其自身表面能的倾向。
因此液体尽量收缩成圆球状，固体则把其接触的液体铺展开来覆盖其表面。
如果液体滴在固体表面，则会形成图一所示的情况。
图二和图三分别表示浸润不良和良好的现象。
θ为浸润角，显然浸润角越小，液态焊料越容易铺展，表示焊料对基板的润湿性能越好。
a. 当θ<900，称为润湿，B角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开；b. 当θ>90时称为不润湿，B角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，越容易收缩成接近圆球的形状;c. 当θ=00或180“时，则分别称为完全润湿和完全不润湿。
通常电子工业焊接时要求焊料的润湿角θ<200。
影响焊料润湿性能主要有:焊料和基板的材料组分、焊接温度、金属表面氧化物、环境介质、基板表面状况等。
IPC－SPVC用润湿力天平来测量并用润湿时间以及最大润湿力来表示的方法评估了不同组成的 SAC 合金的润湿性，结果发现其中（零交时间与最大润湿力）并无差异，见图4。
一种典型的PCBA组件焊点失效研究
一种典型的PCBA组件焊点失效研究化学镍金（ENIG）工艺由于优越的性能被广泛应用于PCB表面处理中，但在实际使用中却存在镍腐蚀的现象，严重影响电子产品品质。
本文就某PCBA 組件出现焊点失效的案例出发，探讨PCB化学镍金镍腐蚀失效原因以及应对措施。
标签：PCBA；焊点失效；镍腐蚀1 引言印制印路板（PCB）作为印制线路板组件（PCBA）的基础模块，其质量对于组件的可靠性及装机后的工作质量尤为关键。
ENIG工艺由于其焊盘平整度好、可焊性好、接触电阻小、高湿环境中不氧化、可作散热表面等优点被广泛应用于PCB表面处理中。
但ENIG在实际使用中存在镍腐蚀的现象，严重影响电子产品品质。
2 焊点失效案例研究2.1 背景信息某PCBA组件在经历两轮随机振动、温度循环、高温老练等筛选试验过程均能正常工作，在后期使用过程上电约10分钟后某线路出现失效，断电半小时后重新上电恢复工作。
经故障排查，为PCBA组件上某BGA芯片A引脚出现开路。
2.2 电测及外观检查在常温状态下测量A引脚失效线路位置与电线接地端（GND）之间电阻约为1.8欧姆。
进一步用热风枪对着样品失效区域施加热风，失效线路对地电阻逐渐增大，热风施加至第8秒时失效线路对地发生开路。
进一步对失效焊点位置进行外观检查，失效线路未见腐蚀、阻焊模破损等异常。
2.3 3D X-RAY扫描扫描了故障模块的故障点某BGA芯片的A引脚焊点，未见明显异常。
2.4 声学扫描检查对某BGA芯片进行声学扫描显微镜检查，结果显示所检器件未见分层，未见明显缺陷，检测结果见表1。
2.6 SEM&EDS分析对某芯片A引脚焊点截面进行SEM&EDS分析显示：A焊点的焊球与PCB 焊盘分离，分离界面未见明显的IMC（金属件间化合物）层。
靠近A引脚一侧的焊点普遍发生开裂，开裂界面均发生在焊料IMC与PCB焊盘之间，焊盘镍层可见连续的渗透性腐蚀形貌及明显富磷层，磷元素在镍层中的相对含量接近19%wt，如图1所示。
疲劳失效分析案例
轴向：室温（KU2）：24.0J； 33.0J； 40.0J （平均：32J）
（按CB/T3669标准第5.3.2款：要求相关钢材在-20℃时，三个冲击试样的 平均KV2≥42J）
9、分析意见
z 由金相分析可看到，组织带状枝晶偏析发达， 将影响其综合性能。
3、宏观检测
后端11点钟区域断面宏观形貌 下侧底部区域， 边缘有纵向小台 阶、呈光亮挤压 擦伤形态，表明 开裂自上而下， 最终在底部挤压 撕裂
3、宏观检测
两侧区：快速扩展
3、宏观检测
6点钟区：由转角越程槽起始的裂纹花样
表明中间区域 在相对低应力 下先期开裂， 最终两侧在相 对高应力下快 速向中间汇合 ，贯穿性裂开
概述
z 机械部件失效形式，按失效模式及失效机理一 般分为：变形失效、断裂失效、磨损失效及腐 蚀失效。在所有失效事故中，断裂失效占有主 要份额。
z 在失效分析中由于最终目的不同，其分析的深 度、广度及重点不尽相同。本文所列失效分析 案例是以“物证”分析为主体的失效分析，注重于 构件的材质、工艺（冷、热）及服役条件的综 合分析。
表层主裂纹两 侧可看到长短 不一的次裂 纹，均为曲折 发展，拟为变 形下拉裂
5、金相分析
开裂处径向截面
下外圈后端凸台面
中段裂纹斜向分 布,脱碳区域沿裂 纹两侧分布。开 口处，可见两侧 组织为铁素体+少 量珠光体，裂纹 表面有氧化现 象，表明为热处 理前形成。
6、硬度测定
滚道（旁侧）区域：
表面硬度（HRC）：57.0; 57.2; 57.5 径向截面上，滚道中部，测定有效硬化层深度:
4、扫描电镜分析
通过建模以及实验研究先进高强度钢的焊点失效
通过实验和建模研究先进高强度钢的焊点失效一、引言先进的高强度钢（AHSS）是车身结构设计使用的关键材料，它满足了车身轻量化，以及提高车身耐撞性的条件。
而车身上有数千个焊点，它的焊点性能就变成了一个重要的研究问题。
因此车身结构的力学性能就不仅仅取决于板材的力学特性，还取决于焊点的强度。
所以汽车制造企业非常看重焊点强度的评定。
此外，焊点在一个小区域内融合了多种材料的局部特性。
因此研究焊点的特性就变成了一个非常难的科学问题，它还涉及到很多的领域，比如微电子设备。
AHSS上得焊点较传统的柔性钢材上得焊核界面失效更加的敏感。
它上面的焊点失效特性是由焊核上得细小裂缝缺口的复杂的裂纹扩展形成的，裂纹即可在表面传播形成完全界面失效（FIF），也可以穿过板层形成局部界面失效（PIF）。
这些有别于传统的焊点拉拔失效(BP)，可以从典型的决定焊点性能的准静态十字拉伸和剪切拉伸实验中观察到。
因此，在尝试通过建模得到焊点特性以及承载能力时，搞清楚焊点不同的失效情况的出现是非常必要的。
太多的因素易于影响焊点的力学特性，他们被分成三类：（1）几何因素（焊核大小、板材厚度、试件宽度、夹持距离…）（2）加载类型（剪切、常规载荷或者组合载荷）（3）焊点热循环形成过程中的冶金因素和母材的化学组成成分（不同热影响区的脆性显微结构，夹杂物或者多空性，残余应力…）。
从常规载荷下低碳钢和低合金高强度钢的焊点试验中观察到了塑性失效发生在焊核边缘处。
高合金钢在同样载荷下会出现脆性界面断裂。
低碳钢或者先进高强度钢的大焊点在承受剪切拉伸的时候在靠近焊核附件的母材区发生有局部应变造成的断裂，引起拉拔失效。
小焊点失效发生在结合面和剪切断裂面处。
在以上这些焊点断裂知识下，建立焊点在给定载荷下的承受能力模型可以有以下几种方法：1、经验模型回归分析或者数据采集方法被用于直接预测在给定载荷或者失效模型下的焊点强度，也可以用于判定焊核强度以此来预测材料的某种关键属性（比如断裂韧性）。
PCB焊点失效以及无铅BGA返修工艺分析分解
PCB焊点失效以及无铅BGA返修工艺分析摘要：以实际工作经验和测试为基础，就 BGA 焊点缺陷表现、形成原因及检测方法等问题展开论述。
通过典型案例对焊接中出现的裂纹形成原因进行了分析和归纳，并对改善 BGA 焊点质量提出了一些建议。
随着高密度电子组装的发展,BGA的面积越来越大,引脚数不断增加,广泛地应用到PCB的组装中,从而对电子组装工艺提出了更高的要求,特别是对于无铅BGA的返修。
因为BGA返修台是一个相对开放的系统,而且无铅焊接需更高的温度,因此需要更高的工艺要求才能保证BGA的返修质量。
从无铅焊接工艺和BGA返修台结构的角度,介绍了一种适用于BGA返修的方法。
关键词：BGA；回流焊接；无铅焊接；返修Analysis of PCB solder joint failure and lead-free BGArework processZHAO Shuai-feng(Guilin University of Electronic Technology, Electromechanical engineering college, Guilin)Abstract:Based on the production and testing experience, the BGA solder joint defects , their causes of detection methods were discussed.Typical cases were analyzed and summarized for the causes of BGA solder joint void and head-in-pillow (HIP). The suggestions were given to improve the performance of BGA solder joint.During high-density electronic assembly developmen, The BGA is used in PCB assembly widely which area is more and more large and solderballs are increased continuously. Electronic assembly process ismore strictly than ever to assure the BGA soldering quality, especially lead free BGA rework process. Because BGA rework is a relative open system and lead free soldering need higher temperature. Introduce an adaptway of lead free BGA rework by lead free soldering process and BGA rework instru-ment structure.Key words: BGA；reflow soldering；Lead free soldering；Rework1 PCB焊点失效分析1.1 PCB焊点失效分析发展背景随着电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向的发展，对电路组装技术和 I/O 引线数提出了更高的要求，芯片的体积越来越小，芯片的管脚越来越多，给生产和返修带来了困难。
焊接点疲劳
（2）断裂路径：无铅焊点机械疲劳的断裂路径比较复杂，不容易区分，从切片观察来看，基本认
为是沿晶＋穿晶断裂。
.宏观裂纹扩展：宏观裂纹的扩展形貌非常相似，但细微观察发现，机械疲劳的断口在裂纹
尖端更细，能感觉到裂纹在焊点由外侧逐渐向内变细的趋势，而蠕变疲劳的裂纹宽度比较
劳等也都希望从不同角度评估板级焊点的可靠性。而很多研究表明无铅焊点的强度要比
SnPb焊点高，其吸收应力能力较弱，因此其机械可靠性也越来越引起人们的关注。本文从失效机理出
发，主要总结了无铅焊点在弯曲循环以及跌落试验条件下的失效特征，指导以后的相关可靠性
试验的进行。
2 试验设计
本研究主要通过实验加载的方式获得不同应力条件下的焊点失效样本，包括BGA和CSP两种面
晶裂纹同时也会发生。
观察中还发现，同蠕变疲劳断裂类似，NSMD焊盘绿油对裂纹的萌生仍然是重要因素之一，
多个焊点开裂裂纹都发生在绿油与焊点接触的位置。
3.1.3机械疲劳断口
.
断口宏观特征：下图为某器件中某三个相邻焊点经过6W次循环起拔后的断口，宏观规律非常明
显，特征类似。可以判断出其宏观裂纹的扩展为上下相向扩展，在靠近上端的位置断裂。
并没有出现在机械疲劳试验中。其原因同温度有很大关系，温循过程中焊点会经受较高的温
度，原子扩散能力增强，在长时间的扩散后，再结晶过程容易发生，而常温下的机械疲劳温
度低，并且焊点经历的变化时间较短，其载荷的施加与实际温循时焊点的应力还存在差别，
因此在金相组织上并没有明显的变化。此外，在蠕变疲劳中发现的Ag3Sn颗粒聚集长大的现
在加载幅度较大的情况下更容易开裂。在温度循环条件下，树脂裂纹和走线断裂是很少见的。
第10讲 焊接结构的疲劳失效
第10讲 焊接结构的疲劳失效绝大多数的焊接结构和焊接机械零部件，都是在变载荷下工作的，疲劳破坏是这种构件的主要破坏形式。
大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%。
3.1 金属材料的疲劳破坏一、疲劳强度金属机件在循环应力作用下的疲劳破坏，与在静应力作用下的失效有本质区别。
静强失效，是由于在构件的危险截面中，产生过大的残余变形或最终断裂。
疲劳破坏，是在构件局部高应力区内，较弱的晶粒在变动应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展导致最终疲劳破坏。
疲劳破坏与脆性断裂相比：同：两者断裂时的变形都很小。
异：(1)疲劳破坏需要多次加载，而脆断一般不需多次加载。
(2)结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂纹的扩展是缓慢的有时要长达数年时间。
(3)脆断受温度影响极大。
随温度的小而降低，脆断的危险性增加。
而疲劳破坏受温度影响甚小。
(4)疲劳破坏的断口特征明显不同于脆断。
二、载荷的种类掌握载荷的变化情况，是进行疲劳强度设计的先决条件。
变动载荷或应力循环特性主要用下列参量表示：max σ——变动载荷或应力循环内的最大应力；min σ——变动载荷或应力循环内的最小应力；max minm 2σσσ+=——平均应力；max min2a σσσ-=——应力振幅或应力半幅；min maxr σσ= ——应力循环特性系数或应力循环对称系数。
描述循环载荷的上述参数如图3-1所示。
图3-1 疲劳试验中的载荷参数单向等幅变动载荷，按照应力幅值0σ和平均应力m σ的大小，可分为对称拉压、脉动拉伸、波动拉压等形式。
r 的变化范围在-1~+1。
图3-2为疲劳失效中载荷类型。
图3-2 疲劳时效中的载荷类型载荷种类对构件的强度行为具有根本的影响。
随着载荷特征值变小，构件产生疲劳断裂的危险增大。
对每一个焊接结构，在设计之前就应充分考虑到在不同的载荷状态下，其所承受相应载荷的能力，并使其达到设计的使用寿命。
此外，构件是否出现疲劳断裂还受构件本身形状、材料厚度、表面状况或腐蚀情况等影响。
第四章_焊点疲劳失效机理可靠性评价方法-修订版
Crack Crack Void
焊点金相分析照片
粗化带
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焊点金相分析照片
4.3.5 焊点寿命试验数据分析
焊点累积失效函数—威布尔分布
威布尔函数演化
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威布尔分布的线性最佳拟和方法：
累积失效函数
取两次对数
F ( x) 1 e ( x / )
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常用的温度循环加速试验条件
温度范围设置 Tmax：100℃ Tmin：0℃
高低温停留时间
有铅：10min 无铅：10min～30min 温度变化速率 <20°C/min 推荐10°C/min～15°C/min
常用的温度循环加速试验条件
IPC-9701
TC1 TC2 0°C+100°C (Preferred Reference) -25°C +100°C
热疲劳失效的三个因素
焊点疲劳失效的三个重要因素 ① 热膨胀系数不匹配 ② 温度差 ③ 周期性工作 焊点疲劳失效过程： 温度变化导致的热应力---焊点应变（蠕变应变）---焊点金属学变化和疲
劳损伤----焊点开裂失效
焊点应力--------焊点材料特性
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a) 热膨胀系数（CTE）不匹配
n n n n X iYi X i Yi i 1 i 1 i 1 2 n n 2 n X i X i i 1 i 1
C
( X ) Y X X Y
事件监测仪测试结果
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电阻测试结果
4.3.3 试验条件选择要求
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焊点疲劳失效案例研究
焊点的疲劳失效主要包括热疲劳和机械疲劳，其中热疲劳占主导因素。
热疲劳源于焊点在工作过程中所承受的热循环负载、功率循环过程等，包含由于热不匹配导致的等温机械疲劳。
研究表明，热疲劳和等温机械疲劳都是一种在疲劳和蠕变交互作用下的失效果过程。
一焊点疲劳失效机理
大多数焊点的失效机理是一种蠕变与疲劳损伤的复合积累损伤。
宏观上表现为热疲劳损伤导致在远离焊点中心区的焊料与基板过度区（即高压力区）产生初始裂纹，然后逐渐沿焊料与基板界面扩展至整个焊点长度;微观上表现为热疲劳断口表面有疲劳条纹的特征、晶界微孔洞和蠕变沿晶界断裂的痕迹。
焊点疲劳损伤的过程可以用图1表示。
二引起疲劳的因素
产品在装配完成后的运输、使用过程中，焊点是可靠性的薄弱环节，它承担着热学的、电气的、及机械连接等多种作用，并且普遍都会收到准确性的机械应力及蠕变应力，尤其是在航天、航空、航海及车载等产品中更为明显。
这是如果设计不当导致局部应力过大，或者焊料合金在焊接过程中熔融扩散不良（冷焊、偏析），就更加容易发生疲劳失效，从而降低焊点的寿命。
三焊点疲劳失效案例
产品经过高温储存和高低温试验后，陆续出现功能失效，失效电容都在放大管的输出链路上，外观可见电容局部烧损，如图2
失效电容焊点的焊料中间都可见疲劳裂纹的蔓延（见图3、图4）;不论是否是失效位置，其它的焊点亦都存在焊料晶粒粗大的现象。
失效样品焊点中靠近端还存在较多的空洞，且焊料晶粒粗大，使得其在老化试验过程中比正常焊点更快速地发生疲劳破坏而开裂;而当开裂导致电气连接处面积变小时，电阻变大产生大热量而发生烧损失效。
失效現象先发生在放大管的输出链路上，是因为此处的电流较大，在老化试验过程中受到的应力更大;而其余的焊点同样存在一定的失效风险。
焊点经模拟返工后，焊料晶粒状态有明显改善，显现细小均匀的形貌，说明提高焊热量能够改善晶粒粗大的潜在缺陷。
经查焊接回流曲线中，峰值温度约210℃，处于推荐值的下限，显示原来的焊接工艺温度低、时间长，说明焊接工艺曲线还有较大的优化空间，见图5
四总结
（1）如果工艺条件不良，焊料合金在焊接过程中熔融容易扩散不均匀，称为偏析。
偏析使得焊点内部的机械和物理性能发生改变，影响其工作效果和使用寿命;因此，在生产过程中必须防止合金在凝固的过程中发生偏析或金相组织不理想，才能够有效增加焊点的固有可靠性或使用寿命。
（2）对于容易受到循环应力的元器件焊点，应从设计上充分考虑到应力缓解方案。
例如，固定好安装孔、用适当的胶填充悬空的元器件本体，也要充分考虑各类材料的线膨胀系数的匹配性。
（3）这些问题其实可以通过可靠性试验来及早发现或暴露，然后采取针对性的整改措施来应对。