直流风机驱动电路板的失效分析

张旭武，张浩，陈铁柱

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江 宁波 315040）

0 引言

绝大多数高功率的电子设备在工作时都会产生热量，尤其是电路中含有功率器件、DC电源变换器和高速处理芯片等情况下，会散发大量的热量[1-3]。由于当前的大功率电子设备正朝着高功率密度、高集成度的方向发展，因此散热问题不可避免，若没有合适的散热措施，就会导致工作温度不断地升高，超过允许的最高温度，进而引发器件性能的恶化甚至损坏[4]。因此，电子设备在设计时要考虑散热，对于环境温度要求较高的电子设备采用强制通风或通过液体进行冷却。直流风机由于由永磁无刷电流电机驱动扇叶旋转，具有功率密度高、结构简单和调速性能优良等特点，被广泛地应用于各类电子设备中[5]。

直流风机的各种控制、保护功能一般都集成在风机驱动电路板上，因此驱动电路板上集成了各种功能模块，使得驱动电路板上的各种元件密集分布，相互之间都有一定的影响。在将器件焊接到PCB板的过程当中，如果操作不合适，就有可能使PCB板产生翘曲现象，并在焊脚处产生机械应力，而机械应力容易导致器件在焊脚处产生应力裂纹，影响PCB板的长期可靠性，严重的时候甚至会导致整个PCB板的失效[6-7]。

为了确认某公司直流风机驱动电路板失效的具体原因，本论文利用光学显微镜观察、电特性测试、X射线（X-ray）检查、扫描电镜和能谱分析方法对直流风机驱动电路板上的关键器件及相关的IC进行分析，最终得出结论，认为机械应力是直流风机驱动电路板失效的主要原因。

1 案例分析

1.1 背景

2个样品为某公司生产的直流风机的驱动板，型号为FSABB，客户使用一段时间后出现功能异常。2块直流风机驱动板均为失效样品，编号为F1#、F2#。

直流风机驱动板现场安装情况如图1所示。驱动板通过6颗紧固螺丝固定于另一块PCB板上。驱动板功率为200 W，为批量生产产品。驱动板随整机在外场使用过程中失效，失效表现为驱动板上位号为M6的IGBT失效，E脚焊盘变黑、熔融。部分样品替换E脚变黑，位号为M6的IGBT后，风机驱动板能恢复正常。目前，M6的IGBT器件E脚焊盘变、熔融失效的驱动板总共20套，失效率约为10-6的几千倍。

图1 直流风机驱动板现场安装图片

1.2 外部检查

编号为F1#的直流风机驱动板的正面形貌与背面形貌如图2所示。为了检查样品在安装、试验和使用等过程中引起的损坏，利用体视显微镜对失效样品进行外部检查。F1#直流风机驱动板上位号M6的IGBT如图3a所示，进一步地对M6 IGBT进行光学显微镜的放大观察，结果如图3b所示，从图中可以看出，E引脚焊点开裂，开裂位置可见金属熔融的形貌，以及黑色碳化物的附着。M6附近的焊点表面也可见明显的裂纹形貌，如图4所示。IC1的控制芯片烧毁，部分塑封料缺失，露出内部芯片，芯片表面金属化熔融，明显可见存在一个融坑，如图5所示。

图2 F1#直流风机驱动板的表面形貌图

图3 M6 IGBT的形貌及E脚开裂的形貌图

图4 M6附近焊点开裂形貌图

图5 IC1的表面形貌图

F2#直流风机驱动板上M6 IGBT的E引脚焊点也可见明显的开裂，如图6所示。其附近的焊点表面也存在裂纹，如图7所示。M4表面塑封料炸开，露出内部芯片，芯片表面源极区域金属已经呈熔融状态，这是典型的过流过功率烧毁的形貌，如图8所示。IC1的控制芯片烧毁，部分塑封料缺失，露出内部芯片，芯片表面金属呈熔融状态，可见明显的融坑，如图9所示。

图6 F2#样品的M6 IGBT的形貌及E脚开裂的形貌图

图7 M6 IGBT附近焊点开裂形貌图

图8 M4 IGBT芯片烧毁的形貌图

图9 IC1芯片烧毁的形貌图

1.3 电特性测试

为了确定失效样品的失效特性，鉴别失效模式，利用晶体管图示仪测量失效的直流风机驱动板上6只IGBT引脚之间的I-V特性。测试结果如表1所示。从表1中可以看出，F1#直流风机驱动板上6只IGBT引脚间的I-V特性及电参数未见明显的异常，6只IGBT所测的参数都在规格范围内。

表1 F#样品6只IGBT器件的主要电参数测试结果

F2#直流风机驱动板上M2、M3、M4、M6和M7 5只IGBT的栅极、源极和漏极均相互短路，M5栅极和源极之间呈电阻特性，阻值为9.93 kΩ，漏极和源极之间开路。F2#直流风机驱动板上IC2的电源引脚Pin1（VCC）以及与IGBT相连的引脚（Pin18、 Pin19、 Pin20、 Pin22、 Pin23、 Pin24、Pin26和Pin27）对Pin12（VSS）均呈电阻特性。IC1的电源引脚Pin12（VDD）以及与IC2相连的引脚 （Pin20、 Pin21、 Pin22和Pin23） 对Pin11（VSS）均呈电阻特性。

1.4 X射线检查(X-ray)

为了检查样品内部的缺陷、损伤，利用X射线检测系统对失效样品进行X射线检查。对F1#号样品的X射线检查结果如图10所示。从图10中可以看出，F1#直流风机驱动板上M6的E脚焊点开裂，但芯片未见明显的破损，如图10a所示；M4和M3器件附近的焊点也均有可见开裂，如图10b、10c所示；IC1内部键合丝未见断开，芯片未见破损的异常，如图10d所示。

图10 F1#样品的X-ray形貌图

对F2#号样品的X射线检查结果如图11所示。从图11中可以看出，F2#直流风机驱动板上M6的E脚和G脚焊点开裂，如图11a所示；M6芯片未见明显的过电烧毁的异常。M4器件附近的焊点均可见开裂，如图11b所示；其主要裂纹生长的方向与F1#驱动板一致，也为平行于驱动板的长边方向。IC2和IC1内部键合丝均可见断开，如图11c、11d所示。

1.5 扫描电镜观察及分析

为了检查IGBT的焊点是否符合要求，是否存在与失效模式有关的内部结构异常或缺陷。对F1#样品M6的E脚焊点固封研磨，并进行扫描电镜的观察。

F1#直流风机驱动板上M6的E脚焊点在扫描电镜下可以看到明显的开裂，如图12所示。焊点的焊料边缘可见锯齿状开裂，残余的焊料内部可见裂纹形貌。焊盘中间位置还可见疏松状灰色异物。EDS能谱分析结果如图13所示，白色物质的主要元素成分为锡（Sn）；灰色异物的主要元素成分为碳（C）、氧（O）和锡（Sn）。说明白色物质为焊料，灰色疏松状物质为氧化锡（SnO2）。焊点IMC均匀且连续，未见明显断开的异常。

图12 F1#样品M6芯片的SEM形貌图

图13 F1#样品M6芯片局部EDS能谱分析结果

将F1#直流风机驱动板上M6 IGBT进行开封，观察。M6内部芯片未见过电烧毁或机械损伤。说明M6 E脚开裂位置过热熔融不是M6芯片过热烧毁所致，而是E脚开裂位置自身过热所致。

对F2#直流风机驱动板上M6的E脚断面进行观察，扫描电镜形貌图如图14所示。从图中可以看出，E脚断面和焊盘中间区域的焊料呈熔融状态，边缘区域可见机械应力所致的条状裂纹。对F2#直流风机驱动板上M6的E脚焊盘边缘黑色异物，进行EDS能谱分析，结果如图15所示。从分析结果中可以看出，电导率仪中黑色异物的主要元素成分为碳（C）、氧（O）和溴（Br）。因此可以推断，黑色异物主要为碳化的三防漆和助焊剂残留。

图14 F2#样品M6芯片的SEM形貌图

图15 图14b中方框区域EDS能谱分析结果

2 结果与讨论

根据对IGBT器件电参数测试结果的确认，在其中一块驱动板（F1#样品）上6只IGBT器件的功能正常，电学参数均符合规格书的要求；而另外一块驱动板（F2#样品）上6只IGBT以及控制芯片IC1和IC2均已经烧毁。而且2块驱动板上位号为M6的IGBT器件E脚焊点均开裂，并有黑色碳化物附着。

M6的E脚焊点的焊料边缘可见机械应力所致的锯齿状开裂，残余的焊料内部还可见裂纹形貌。M6的E脚断面和焊盘中间区域的焊料可见熔融，边缘区域可见撕裂形貌。从形貌来看，焊点是从焊料边缘区域开始开裂，裂纹向焊点中心区域延伸、生长。最后在焊盘中间位置，完全断开，在最后断开位置，E脚和焊盘之间发生打火，导致E脚过热，变黑，打火区域焊料熔融。因此分析认为，M6的E脚焊点是受机械应力而导致开裂的。

F1#直流风机驱动板上M6 IGBT内部芯片未见过热痕迹。进一步说明，M6 E脚开裂位置过热熔融不是M6芯片过热烧毁所致，而是E脚焊点开裂，打火过热所致。说明M6 E脚开裂是驱动板上器件失效的起始点。

M6、M4和M3器件附近的焊点均可见机械开裂形貌。显然，在IGBT安装区域存在机械应力集中现象。

综合上述分析，直流风机驱动板上位号为M6的IGBT的E脚焊点受机械应力开裂，引起E脚和焊盘之间打火，最终导致全桥电路烧毁而失效。

3 结束语

为了确认直流风机驱动电路板失效的具体原因，本论文利用光学显微镜观察、电特性测试、X射线（X-ray）检查、扫描电镜和能谱分析方法对直流风机驱动电路板上关键器件及相关的IC进行分析，最终得出结论，认为机械应力是直流风机驱动电路板失效的主要原因。

器件在焊接到PCB板的过程当中，如回流焊接、波峰焊接和手工焊接等工艺，都存在着温度的起伏。当温差过大，有可能使PCB板产生翘曲现象，焊料在固化过程中，使PCB板上的器件产生机械应力，这容易导致器件在焊脚处产生应力裂纹，应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。由于直流风机驱动电路板上的IGBT器件在工作过程中，经常会遭遇大电流的冲击，芯片由于大电流的冲击短时间内会导致温度急剧地上升，这使得应力裂纹会进一步地增大，而增大又会引起焊脚处的电阻增加，使得焊脚处的温度迅速地上升，最终导致焊脚的开裂，焊料熔融，甚至导致相应的器件过热而烧毁。