超(chāo)全面(miàn)的PCB失效分析技術

PCB作為各種元器件的載體與電路信号傳輸的樞紐已經成為電子(zǐ)信息産品的最為(wéi)重要而關鍵的部分(fèn)，其質量的好壞與可靠性水平(píng)決定了整機設備的(de)質量與可靠性。?

随着電子信息産品的小型化以及無鉛(qiān)無鹵化的(de)環保(bǎo)要求，PCB也向(xiàng)高密度高Tg以及環保(bǎo)的方向發展。但是由(yóu)于成本以及技術的(de)原因，PCB在生産和應用(yòng)過程中出現了大量的失效問題，并因此引發了許(xǔ)多的質量糾紛。為了(le)弄清楚失效的(de)原因以便找到解決問題(tí)的辦法和(hé)分清責任，必須對所發生(shēng)的失(shī)效案例進行失效分析。

失效分(fèn)析的基本程序?

要(yào)獲得PCB失效或不良的準确原因或(huò)者機理，必須遵(zūn)守基本的原則(zé)及分析流(liú)程，否(fǒu)則可能會漏掉寶貴的失效信息，造成分析不(bú)能繼續或(huò)可能得到(dào)錯誤的結論。一般的基本流程是，首先必須(xū)基(jī)于失效現象，通(tōng)過信息收集、功能測試、電性能測試(shì)以及簡單的外觀檢查(chá)，确定失效部位與失效(xiào)模式，即失效定(dìng)位或故障定位。?

對于簡(jiǎn)單的(de)PCB或PCBA，失效的部位很(hěn)容易(yì)确定，但是，對于較為複雜的BGA或(huò)MCM封裝的器件或基闆，缺陷(xiàn)不易通過顯微鏡觀察，一時不(bú)易确定，這(zhè)個時候就需要借助其它手段(duàn)來确定。?

接(jiē)着就(jiù)要進行失效(xiào)機理的分析，即使用(yòng)各(gè)種物理、化學(xué)手段分析導(dǎo)緻PCB失(shī)效或缺陷産生的機(jī)理，如虛焊、污染、機械損傷、潮濕應(yīng)力、介質腐蝕、疲勞損傷、CAF或離子遷移(yí)、應力過載(zǎi)等等。?

再就是(shì)失效原因分析，即基于失效機(jī)理與制程過程分(fèn)析，尋找導緻失效機理發生的原因，必(bì)要時進行試驗(yàn)驗證，一般盡應該可能的進行試驗(yàn)驗證(zhèng)，通過試驗驗(yàn)證可以找到準确的誘導失效的(de)原因。?

這就為(wéi)下一步的改進(jìn)提供了(le)有的放矢的依(yī)據。最(zuì)後，就是根據分析過程所獲得試驗數據(jù)、事實與結論，編制失效分析報(bào)告，要求報告的事實清楚(chǔ)、邏輯(jí)推理嚴密、條理性強，切(qiē)忌憑空想象。?

分(fèn)析的過程中，注意使用(yòng)分析方法應該從簡單到複雜、從外到裡、從(cóng)不破壞樣品再到(dào)使用破壞的基本原則。隻有這(zhè)樣，才可以避免丢失關鍵信息(xī)、避免引入新的人為的失效機理。?

就好比(bǐ)交通事故，如果事故的一方破壞或逃離了現場，在高明的警察也很難作出準确責任認(rèn)定，這時的交通法規一般就要求逃離現場者或破壞現場的(de)一方承擔全部責任。?

PCB或(huò)PCBA的失效分析也一樣，如果使用電烙(lào)鐵對失效的焊(hàn)點(diǎn)進行補焊處理或(huò)大剪刀進(jìn)行強力(lì)剪(jiǎn)裁PCB，那麼再分析(xī)就無從下手了，失效的現場已經破壞了。特别是在失效樣品(pǐn)少的情況下，一旦破壞或損(sǔn)傷了(le)失效現場的(de)環境，真正的失效原因就無法獲得(dé)了。

失效分析技術?

光學顯微鏡?

光學(xué)顯微鏡主要用于PCB的(de)外觀檢查，尋找失效的(de)部位和相關的物證，初步判(pàn)斷PCB的失效模式。外觀檢查主要檢查PCB的污染、腐蝕、爆闆的位置、電路布線以及失效的規律性、如是批次的或(huò)是個别，是不是總是集中(zhōng)在某個區(qū)域等等。?

X射線 （X-ray）?

對(duì)于某(mǒu)些不能通過外觀檢(jiǎn)查到的部位(wèi)以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷，隻好使用X射(shè)線透視系統來檢查。?

X光透視系統就是利(lì)用不同材料厚度或是不同材料密度對X光的吸濕或透過率的不同原理來成像(xiàng)。該技術更多地用來(lái)檢查(chá)PCBA焊點内部的缺陷、通孔内部缺陷和(hé)高(gāo)密(mì)度封裝的BGA或(huò)CSP器件的缺陷焊點的定(dìng)位。?

切片分析?

切片分(fèn)析就是通(tōng)過取樣、鑲嵌、切(qiē)片、抛磨、腐蝕、觀(guān)察等一系列手段和步驟獲得PCB橫截(jié)面結(jié)構(gòu)的過程。通過切片(piàn)分析可以(yǐ)得到反映PCB(通孔、鍍層等)質量的微觀結構(gòu)的豐富信息，為下(xià)一步的質量改進(jìn)提供很好的依據。但是該方法是破壞性的，一旦進行了切片，樣(yàng)品就必然遭到破壞。?

掃描聲學顯(xiǎn)微鏡?

目前用于電子封裝或(huò)組(zǔ)裝分析的主要是C模式的超聲掃描聲(shēng)學顯微鏡，它是利用高頻超聲波在材料不連續(xù)界面上反射産生的(de)振幅及位相與(yǔ)極性變化來成像，其掃描方式(shì)是沿着Z軸掃描X－Y平面(miàn)的信息。?

因此，掃描聲(shēng)學顯微鏡可以用來檢測元器件、材料以及PCB與PCBA内部的各種缺(quē)陷，包括裂紋、分層、夾雜物以及空洞等。如(rú)果掃(sǎo)描聲學的頻(pín)率(lǜ)寬度足夠的話，還可以直接檢測到焊點的内部缺陷。?

典(diǎn)型的掃描聲學的圖像是以紅色的(de)警示色表示缺陷的存在，由于(yú)大量塑料封(fēng)裝的元(yuán)器件使用在SMT工藝中(zhōng)，由有鉛轉換成無鉛工藝的過程中，大量(liàng)的潮(cháo)濕回流(liú)敏感問題産生，即(jí)吸濕的塑封器件會在更高的(de)無鉛工藝溫度下回流時出現内部或基闆分(fèn)層開裂現象，在無鉛工藝(yì)的高(gāo)溫下普通的PCB也會常常出(chū)現爆闆現(xiàn)象。?

此(cǐ)時，掃(sǎo)描聲學顯微鏡就凸現其(qí)在多層高密度PCB無損探傷(shāng)方面的特(tè)别優勢。而一般的明顯的爆闆(pǎn)則隻需通過目測外觀(guān)就能檢測出來。?

顯(xiǎn)微紅(hóng)外分析?

顯微紅外分(fèn)析就(jiù)是将紅外光譜與顯(xiǎn)微(wēi)鏡結合在一起的(de)分析方法，它利用不同(tóng)材料(主要是有機物)對紅外(wài)光譜不同吸收的原理，分析材料的化(huà)合物成分，再結合(hé)顯微鏡可使可見光與紅外光同光(guāng)路，隻要在可見的視(shì)場下，就可以尋(xún)找要分析微量的有機污染物。?

如果沒有顯微鏡的結合，通常紅外光譜隻能分析樣(yàng)品量較多的樣品。而電子工藝中很多情況是微量污染就可以(yǐ)導緻PCB焊盤或引線腳的可焊性(xìng)不良，可以想象，沒有顯微鏡配套的紅外光譜(pǔ)是很難解決工藝問題的(de)。顯微紅外(wài)分析的主要用途就是分析被(bèi)焊面或焊點表(biǎo)面的有機污染(rǎn)物，分析腐蝕或可焊(hàn)性不良的(de)原因。?

掃描電子顯微鏡分析（SEM）

掃描電子顯(xiǎn)微鏡(SEM)是進行失效分析的一(yī)種最有用的大型電子顯微成像系統，最常用作形貌觀(guān)察，現時的掃描電子顯(xiǎn)微鏡的(de)功(gōng)能已經(jīng)很強大，任何精細(xì)結構或表面特征均可放大到(dào)幾十(shí)萬倍進行觀察(chá)與分析。?

在PCB或焊點(diǎn)的失效分析方面，SEM主要用來作失效機理的分析，具體(tǐ)說來就是用來觀察焊盤表面的形貌結構、焊點金相組(zǔ)織、測量金屬間化物、可焊(hàn)性(xìng)鍍層分析以及做錫須分析測量等。?

與光學顯微鏡不同，掃描電鏡所成的是電子像，因此隻有黑白兩色，并且掃描電鏡的試樣(yàng)要求(qiú)導電(diàn)，對非導體和(hé)部分半導體需要噴金或碳處理，否則電荷聚集在樣(yàng)品(pǐn)表面就影響樣品的(de)觀察。此外，掃描(miáo)電鏡圖像景深(shēn)遠遠大于光學顯微鏡，是針對金相結構、顯微斷口以及錫須等不平整樣品的重要分析方法。?

熱分析?

差示(shì)掃描量熱儀(DSC)?

差示掃描量(liàng)熱法(Differential Scanning Calorim- etry)是在程序控溫下，測量輸入到物質與參(cān)比物質之間的功率差與溫度(dù)(或時間)關系的(de)一種方法。是(shì)研究熱量随溫度變化關系的分析方法，根據這種變化關系，可(kě)研究分析(xī)材料的物理化學及熱力學性能。?

DSC的(de)應用(yòng)廣泛，但在PCB的分析方面主要用于測量PCB上所用的各種高分子材料的固化程度、玻璃态轉化溫度，這兩(liǎng)個參數決(jué)定着PCB在後續工藝過(guò)程中的可靠性。?

熱機械分析儀(TMA)?

熱(rè)機械分析技(jì)術(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控溫下，測量(liàng)固體、液體和(hé)凝膠在熱或(huò)機械力(lì)作用下的形變性(xìng)能。是研究熱與機械性能關系(xì)的方法，根據形變(biàn)與溫(wēn)度(或時間)的關系，可研究分析材料的(de)物理化學及熱力學性能。?

TMA的應用廣泛，在PCB的分析方面主要用于PCB最關(guān)鍵的兩個參數：測(cè)量其線性膨脹系數和玻璃态轉化溫度。膨脹系(xì)數過大的(de)基材的(de)PCB在焊(hàn)接組裝後(hòu)常常會導緻金屬化孔的斷裂失效。?

熱重分(fèn)析儀 (TGA)?

熱重法(Thermogravimetry Analysis)是在程序控溫下，測量物質的質量随溫(wēn)度(或時間(jiān))的變化關系的一種方法。TGA通過精密的電子(zǐ)天平可監測物質在程控變溫(wēn)過程中發生的細微的(de)質量變化。?

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