国内手机和国际知名品牌手机主板抗跌能力差异简析

背景信息
中国庞大的手机需求市场、良好的利润空间和较低的投资门槛，造成现有手机品牌种类繁多，有国际知名品牌、国内品牌，还有山寨机等等。但普遍反映国内手机在可靠性方面的品质比较差，和国际品牌手机之间还存在较大的差异，究其原因无非在PCB设计、元器件的选择、生产工艺和手机机构设计等方面存在差异。由于元器件市场的国际化，除个别公司自行设计的IC，其余元件都可以在市场上采购到。所有在此方面的差异不会太大。此文只是针对两款手机通过跌落实验后的失效分析和整个线路板的布局等方面来比较它们在产品可靠性方面的差异。

1.实验安排
国内品牌和国际品牌手机各选择了2片手机主板进行跌落实验。通过制作滚筒跌落夹具，参照标准：GB2423.8，选用滚筒跌落仪进行可靠性验证。跌落高度采用1000mm。在跌落过程中，每100次跌落进行一次功能测试来确认产品性能。直至跌落失效为止。跌落失效后进行功能分析定位失效位置、借助切片、染色实验等手段来进行失效分析。

备注：为了尽量减少夹具对产品的影响和模拟产品组装后的真实条件，对跌落夹具的材料、支撑及固定等方面进行了严格的规定。

2.实验数据

2.1 跌落实验数据：
国内手机命名为A-1、A-2；国际品牌手机命名为B-1、B-2。

表1 国际品牌和国内品牌手机跌落数据比较。




备注： A-1失效信息为死机；A-2、B-2失效信息为不开机；B-1失效信息为TV黑屏。

跌落结果显示跌落高度为1000mm，跌落次数在3000次～4000次之间；国内品牌的跌落次数约为800次～1000多次。国际品牌主板比国内抗跌3～4倍。

经技术人员对失效板子分析发现国内手机的失效为主芯片、国际品牌手机失效为Flash。失效问题确认后，送实验室对板子的设计（元器件放置位置设计等）；结合切片、染色实验手段来确定失效原因。分析数据如下。

2.2 实验分析
经染色、切片、Tg测试、EDX检测显示：

跌落实验后，国内手机焊点失效为主芯片焊盘与焊锡之间开裂、PCB焊盘下的基材开裂；国际手机焊点失效为主芯片焊盘与焊锡之间开裂（图1、2）。

金属间化合物（IMC）厚度：国内品牌较国际品牌稍厚，国内品牌的IMC在1.8～4.6微米之间，国际品牌的IMC在2.1～4.0微米之间（图3）。

两款手机的Tg值差异不大，都在160度以上（图4）。

对于芯片锡球成分用EDX进行了检测，国际知名品牌用SAC105合金锡球，而国内采用SAC305球。就从某些资料中可以看到不同合金在可靠性的差异如图5。




图1 染色实验分析。





图2 切片实验分析。





图3 IMC比较。





图4 Tg值比较。





图5 不同合金的特性（来源：德山金属）。

2.3 主要元器件位置放置比较：
表2 国际品牌和国内品牌的比较。

图6 主芯片位置比较。


图7 国际品牌手机主板芯片的背面会安排支撑，主板和外壳固定后存在一定的间隙。
3. 小结
从以上分析，有如下启示：

通过切片染色等失效分析手段可以看到，国际品牌手机主板失效部位多是在芯片焊接的芯片本体那面，而国产主板都在PCB基材部分。众所周知，PCB 占物料成本很大部分，为了降低成本，国产品牌在PCB板方面一味追求低成本，没有对质量进行更好的管控。这样造成国产手机质量得不到保证。故需要在质量和成本之间做好平衡。

关于芯片不同锡球合金对可靠性影响问题，结合之前的分析看出国际知名品牌一般采用SAC105合金，国内采用SAC305。其实对于高银和低银合金就可靠性来讲在跌落性能方面低银优于高银合金，但高银合金在剪切力、硬度及可焊性性能又优于低银合金。关键在于设计者如何把握侧重点(图5)。

对于主板芯片是否需要采用底部填充问题，各有说法，就通过对这两款主板比较得知：在设计布局时国际品牌考虑将芯片尽可能放在靠近板边（1/4 处），这样保证芯片在受外力时形变最小，对于必须设计在中间位置的，由于考虑局部受力后主板中间部分形变会较大，所以会配合底部填充工艺，这样充分保证可靠性(参考表2和图6)。
在外壳设计方面还看到国际品牌会在主芯片背面尽可能安排支撑，减少形变发生；并且外壳和主板组装后留有一定间隙以缓冲跌落等意外情况的冲击。对可靠性都有很大帮助。(图7)