超全面的PCB失效分析技(jì)術

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

随(suí)着電子信息産品的小型化以及無鉛無鹵化的環保要求，PCB也(yě)向高密度高Tg以及環保的方(fāng)向發展。但是由于成本以及技術的(de)原因，PCB在生産和應(yīng)用(yòng)過程中出現了大量的失效問題(tí)，并因此引發了許(xǔ)多的質量糾紛。為了(le)弄清楚失效的原因以便找到解決問題(tí)的辦法和(hé)分清責任，必須對所發生的失效案(àn)例進行失效分析。

失效分(fèn)析的基本(běn)程序?

要獲得(dé)PCB失效或不良的準(zhǔn)确原(yuán)因或者機理，必(bì)須遵守(shǒu)基本的原則及分析流(liú)程，否則可能會漏掉寶貴的失效(xiào)信息，造成分析不(bú)能繼續或(huò)可能得到錯誤的(de)結論。一般的(de)基本流程是，首先必須基(jī)于失效現(xiàn)象，通過信息收集、功能測試、電性能測試以及簡單(dān)的外觀檢查，确定失效部位與失效模式，即失(shī)效定位或故障定位。?

對于簡單的PCB或PCBA，失效的部位很(hěn)容易确定，但是，對(duì)于較為複雜的BGA或MCM封裝的器件或基(jī)闆，缺陷不易通過顯微鏡觀察，一時不(bú)易确定，這個時(shí)候就需要借助其它手段來确(què)定。?

接(jiē)着就要進行失(shī)效機(jī)理的分析，即使用各種物理、化學手段分析導緻PCB失效或缺陷産生的機(jī)理，如虛焊、污染、機械損傷、潮濕應(yīng)力、介質腐蝕、疲勞(láo)損傷、CAF或離子(zǐ)遷移、應(yīng)力過載等等。?

再(zài)就是失效原因(yīn)分析，即基于失效機理與制程過程分析，尋(xún)找導緻失效機理發生的原因(yīn)，必要時進行試驗(yàn)驗(yàn)證，一(yī)般盡應該可能的進行(háng)試驗(yàn)驗證，通過試驗驗證可以(yǐ)找到準确(què)的誘導失效的原因。?

這就為下一步(bù)的改進提供了有的放矢的依據。最後，就是根據分析過程所獲得試驗數據(jù)、事實與結論，編制失效分析報告，要求報(bào)告的事實清楚、邏輯推理嚴密(mì)、條理性強，切忌憑空想象。?

分析(xī)的過程中，注意使(shǐ)用分析(xī)方法應該從簡單到複雜、從外到裡、從不破壞樣品再到使用破壞的基(jī)本原則。隻有這樣，才可以避免丢失(shī)關鍵(jiàn)信息、避免引入新的人(rén)為(wéi)的(de)失效機理。?

就(jiù)好比交通事故，如(rú)果事故的一方破壞或逃(táo)離了現場，在高明的警察也很難作出準确責(zé)任認定，這時的交(jiāo)通法規一般就要求逃離現場者或破壞現場的一方承(chéng)擔全(quán)部責任。?

PCB或(huò)PCBA的失(shī)效(xiào)分析也一樣，如果使用(yòng)電烙鐵對失效的焊點進行補焊處理或大剪刀進行強力剪裁PCB，那麼再分析(xī)就無從下手了，失效的現場已經破壞了。特别是在失效樣品少的情況下，一旦破壞(huài)或損傷了失效現場的(de)環境，真正的失效原因(yīn)就無法獲得了。

失效分(fèn)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，尋找失效的部位和(hé)相關(guān)的物證，初步判斷PCB的(de)失效(xiào)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(xiàn)以及失效的規律性、如是批次(cì)的或是個别，是不是總是集中在某個區域等等。?

X射線 （X-ray）?

對于某(mǒu)些不能通過外觀(guān)檢查到的部位以及PCB的通孔内部(bù)和其他内部缺陷，隻(zhī)好使用X射線透視系統來檢查(chá)。?

X光透(tòu)視系統就是利(lì)用不同材料厚度或(huò)是不同材料密度對X光的吸濕或透過率(lǜ)的不同原理來成像。該技術(shù)更多地用來(lái)檢查(chá)PCBA焊點内部的(de)缺(quē)陷(xiàn)、通孔内部缺陷和(hé)高密度封裝的(de)BGA或CSP器件的缺陷焊點的定位。?

切片分析?

切片分析就是通過取樣、鑲嵌、切片、抛磨、腐蝕、觀察等一系列手段和步驟獲得(dé)PCB橫截面結構的過程。通過切(qiē)片分析可以得到反映PCB(通孔、鍍層等(děng))質量(liàng)的微觀結構(gòu)的豐富信息，為下(xià)一步的質量改進提供很好的依據。但是該方法(fǎ)是破(pò)壞性的，一旦進行了切片，樣品就必然遭到破壞。?

掃描聲學顯(xiǎn)微鏡?

目前(qián)用于電子封裝或組裝分析的主要(yào)是C模式的超聲(shēng)掃描(miáo)聲學顯微鏡，它是利用高頻超聲波在材料不連續界面上反射産生(shēng)的振幅及位相與極性變化來成像，其掃描方式是沿着Z軸掃描X－Y平面的(de)信息。?

因此，掃描聲(shēng)學顯微鏡可以用來(lái)檢(jiǎn)測元器件、材料以及PCB與PCBA内部的各種缺陷，包括裂紋(wén)、分層、夾(jiá)雜物以及空洞(dòng)等。如果掃描聲學的頻率寬度足夠的話，還(hái)可以直接檢測到焊(hàn)點的内部缺(quē)陷。?

典型的掃描(miáo)聲學的圖像是以紅色的警示色表示缺陷(xiàn)的存在，由于大量(liàng)塑料封裝的元器(qì)件使用在SMT工(gōng)藝中，由有鉛轉換成無(wú)鉛(qiān)工藝的過程中(zhōng)，大量的潮濕回流敏感問題産生，即吸(xī)濕的塑封器(qì)件會在更(gèng)高的無鉛工藝溫度下回流時出現内部或基闆分層開裂現象，在無鉛工藝的高溫下普(pǔ)通的PCB也會常(cháng)常出現爆闆現(xiàn)象。?

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

顯微紅外分析?

顯微紅外分析就是将紅外光譜與顯微鏡結合在一起的(de)分析方法(fǎ)，它利用不同材料(主要是有機物)對紅外光(guāng)譜不同吸收的原(yuán)理，分析材料的化(huà)合物(wù)成分，再(zài)結合顯微鏡可使可(kě)見光與紅外光同光(guāng)路，隻要在可見的視場下，就可以尋找要分析微量的有機污染物。?

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

掃描電子顯微(wēi)鏡分析（SEM）

掃描電子顯微鏡(SEM)是進行失(shī)效分析的一種最有用的(de)大型電(diàn)子(zǐ)顯微成像系統，最常(cháng)用作形貌觀(guān)察，現時的掃描電子顯微鏡的功能已經(jīng)很強大，任何精細(xì)結構或表面特征均(jun1)可放大到幾十萬倍進行觀察與分析。?

在(zài)PCB或焊點的(de)失效分析(xī)方面，SEM主(zhǔ)要(yào)用來作失效機理的分(fèn)析，具體說來就是用來觀察(chá)焊盤表面的形貌結構、焊點金相組(zǔ)織、測量金屬間化物、可焊性鍍層分(fèn)析以及做(zuò)錫須分析測量等。?

與光學(xué)顯微鏡不同，掃描電鏡所成的是電子像，因此隻有黑(hēi)白兩色，并且掃描電鏡的試樣要求導電，對非導體和(hé)部分半導(dǎo)體需要噴金或碳處理，否(fǒu)則電荷聚集在樣(yàng)品表面就影響樣品的觀(guān)察。此外，掃描電鏡圖像(xiàng)景深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(fèn)析方法。?

熱分析?

差示掃描量熱(rè)儀(DSC)?

差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorim- etry)是在程序控(kòng)溫下，測量輸入到物質(zhì)與參(cān)比物質之間的功(gōng)率差與(yǔ)溫度(或時(shí)間)關系的一種方法。是研究熱量随(suí)溫度變化關系的分析方法，根據這種變(biàn)化關系，可研究分析材料的物理化學及熱力(lì)學(xué)性能。?

DSC的應用廣泛(fàn)，但在PCB的分析方面主要用于測量PCB上(shàng)所用的各種高分(fèn)子材料的固化程度、玻璃(lí)态轉化溫度，這兩個參數決定着(zhe)PCB在後續工藝過程中的可靠性。?

熱機械分析儀(TMA)?

熱機械分析技術(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控(kòng)溫下，測量固體、液體和凝膠在熱或機械力作用下的形變性(xìng)能。是研究熱與機械性能關系的方(fāng)法，根據形變與溫度(或時間)的關系，可研(yán)究分析材料的物理化學及熱力學性能。?

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

熱重分析儀 (TGA)?

熱重法(fǎ)(Thermogravimetry Analysis)是在程序控(kòng)溫下，測(cè)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通過精密的電子天平可監(jiān)測物質在程(chéng)控變溫過程中發生的細(xì)微的(de)質量變化。?

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