超(Chao)全面的PCB失效分析技術

PCB作為各種元[Yuan]器件的載體與電路信号傳輸的樞紐已經成為電子信息産品的最為重要[Yao]而關鍵的部分，其質量的(De)好壞(Huai)與可靠性水平(Ping)決定了整機設備的質量與可靠性。?

随着[Zhe]電子信息産品的小型化以及無鉛無鹵化的環保[Bao]要求，PCB也向高密度高Tg以(Yi)及環保的方(Fang)向發展。但(Dan)是由于成本以及技術的原[Yuan]因[Yin]，PCB在生産和應用[Yong]過程中出現了大量的失效問題，并因此引發(Fa)了許多的質量[Liang]糾紛。為了弄清楚失(Shi)效的原因以便找到解決問題的辦法和[He]分清責任，必(Bi)須對(Dui)所發生[Sheng]的失(Shi)效案例進行失效分析[Xi]。

失效分析的基本程序?

要獲得PCB失效或不良的準(Zhun)确原[Yuan]因或者(Zhe)機理，必(Bi)須遵守基本的原則[Ze]及分析流程，否則(Ze)可能[Neng]會[Hui]漏掉寶貴的失效信息(Xi)，造成分析不能繼續或可能得到錯誤[Wu]的[De]結論。一般(Ban)的基本流程是，首先必(Bi)須基于失效現象，通過信息[Xi]收集、功能測[Ce]試、電性能測試以及[Ji]簡單[Dan]的外觀[Guan]檢查，确定失效部[Bu]位與失效[Xiao]模式，即失效定位或故障定位(Wei)。?

對于簡單的PCB或(Huo)PCBA，失效的部位很(Hen)容易确定，但是(Shi)，對于較為複雜[Za]的BGA或MCM封裝的器件或基闆[Pan]，缺陷不易通過[Guo]顯微鏡觀察，一時不易(Yi)确定，這個時(Shi)候就需要借助[Zhu]其它手段[Duan]來确定。?

接着就要進行失(Shi)效(Xiao)機理的分析，即使用各種物理、化學手段分析導[Dao]緻PCB失效或缺陷(Xian)産生的機理，如虛焊(Han)、污(Wu)染、機械損傷、潮濕應力、介質腐蝕、疲勞損傷、CAF或離子遷移、應(Ying)力過載等等。?

再就[Jiu]是[Shi]失效原因(Yin)分析，即基于失效機理與制程過程分[Fen]析，尋找(Zhao)導緻[Zhi]失效機理發生的原因[Yin]，必要時進行試驗驗證，一般[Ban]盡應該可能的進行試驗驗證，通過試驗驗證可以(Yi)找到準确(Que)的誘導失效的原[Yuan]因[Yin]。?

這就為下一步的改進提供了有(You)的放矢的依[Yi]據。最(Zui)後，就是根據分析過(Guo)程所獲得試[Shi]驗數據[Ju]、事實與結論，編制失效分析報[Bao]告，要求報告的[De]事實清楚[Chu]、邏輯[Ji]推理嚴密、條理性強，切(Qie)忌憑空想象。?

分析的過程中，注意使用分析方法[Fa]應該[Gai]從簡單到複雜、從外到裡、從不破壞樣品再到(Dao)使用破[Po]壞的基本原則。隻[Zhi]有這樣，才可以避免丢失[Shi]關鍵信息、避免引入新的[De]人為[Wei]的失效機理。?

就好比[Bi]交通事故，如果事故的一方破壞或逃離了現場，在(Zai)高明的警察也[Ye]很難作出準确責[Ze]任認定，這時(Shi)的交[Jiao]通法規一[Yi]般就要求逃離現場者或破[Po]壞現場的一方承(Cheng)擔全部責任。?

PCB或(Huo)PCBA的失效分析也一[Yi]樣，如果使用(Yong)電烙鐵對失效的焊點進行補(Bu)焊處理或(Huo)大剪(Jian)刀進行強力剪[Jian]裁PCB，那麼再分析[Xi]就無從下手了，失(Shi)效的現(Xian)場已經破壞了。特别是在失(Shi)效樣品[Pin]少的情況下，一旦破壞或損傷了失效現(Xian)場的(De)環境，真[Zhen]正的失效原因就無法獲得了。

失[Shi]效分(Fen)析技術(Shu)?

光學顯[Xian]微鏡?

光學(Xue)顯微(Wei)鏡主要[Yao]用于PCB的外觀檢查，尋找失效的部位和[He]相關的物證，初(Chu)步判斷PCB的失效模式。外(Wai)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(Gui)律性、如是批次[Ci]的或[Huo]是個别，是不[Bu]是總是集中[Zhong]在某個區[Qu]域等等。?

X射線 （X-ray）?

對于某些不能[Neng]通過外(Wai)觀檢[Jian]查到的部(Bu)位以及PCB的[De]通孔内部和其他[Ta]内部缺陷，隻(Zhi)好使用X射[She]線透視系統來檢查。?

X光透視系統就是利(Li)用不同材料厚度或是不同材[Cai]料密度對X光的吸濕(Shi)或透過率(Lü)的不同原理來[Lai]成像。該技術更多地用來[Lai]檢查(Cha)PCBA焊點内部的缺陷、通孔内部缺[Que]陷和高密度封裝的BGA或CSP器件的[De]缺陷焊點的定(Ding)位。?

切片分析?

切片分(Fen)析就是通過取樣、鑲嵌、切片、抛磨、腐蝕、觀(Guan)察等一系列手[Shou]段和步驟獲得PCB橫截(Jie)面結(Jie)構的過程。通過切[Qie]片(Pian)分析可以得到[Dao]反映PCB(通孔、鍍層等)質量的(De)微觀結構的豐富信[Xin]息，為下一步的質量改進[Jin]提供[Gong]很好的依據。但是該方[Fang]法是破[Po]壞性的，一旦進行了[Le]切片，樣品就必然遭到破壞。?

掃描聲學顯微鏡?

目前[Qian]用于電子封裝或組裝分析的(De)主要(Yao)是C模式的超聲掃描聲學顯微鏡，它[Ta]是[Shi]利用高[Gao]頻超聲波[Bo]在材(Cai)料不連續界面[Mian]上反射産生[Sheng]的(De)振幅及位相與[Yu]極性變化來成像[Xiang]，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[Sheng]學顯微鏡可以用來[Lai]檢測元器件、材料以及PCB與PCBA内部[Bu]的各種缺(Que)陷，包括裂紋、分[Fen]層、夾雜物以[Yi]及空洞等。如果掃描聲學的頻率寬[Kuan]度足夠的話，還(Hai)可[Ke]以直接檢(Jian)測到[Dao]焊點的内部缺陷。?

典型的(De)掃描聲學的圖像是[Shi]以紅色的警[Jing]示色表(Biao)示缺陷的存在，由于大量[Liang]塑料(Liao)封裝的元(Yuan)器(Qi)件使用在SMT工(Gong)藝中，由有鉛轉換成無(Wu)鉛工藝的過程[Cheng]中，大量的潮濕回流敏感問題産生，即吸濕的塑封器件會在更高的無鉛(Qian)工藝溫度[Du]下回[Hui]流時出現内(Nei)部或基闆分層開裂現象(Xiang)，在無鉛工藝的高溫下普通的PCB也會[Hui]常常出現爆闆現象。?

此時，掃描聲學顯微鏡就凸[Tu]現其在多[Duo]層高密度PCB無損(Sun)探傷方面的特别[Bie]優勢。而一般[Ban]的明顯的爆[Bao]闆(Pan)則隻需通(Tong)過目(Mu)測外觀就能檢測出(Chu)來。?

顯(Xian)微紅[Hong]外分[Fen]析?

顯微(Wei)紅[Hong]外分析就是将紅外光譜與顯(Xian)微鏡結合在一(Yi)起的[De]分析方法，它利用[Yong]不同材[Cai]料(主要是有機物)對紅外光譜不同吸收的原(Yuan)理，分(Fen)析材[Cai]料的化合物成分，再結合顯微鏡[Jing]可使可見[Jian]光[Guang]與紅外光同(Tong)光路，隻(Zhi)要在可見的視場下，就可以尋(Xun)找要分析微[Wei]量的(De)有機污染物。?

如果沒有顯微鏡的結合，通常紅外[Wai]光譜隻能[Neng]分析樣品[Pin]量較[Jiao]多的樣品。而電子工藝中很多情況是微量污(Wu)染就可以導緻(Zhi)PCB焊盤或引線腳的可焊性不良，可以想象，沒(Mei)有[You]顯微鏡配套的紅(Hong)外光譜是很[Hen]難解決工藝問題的[De]。顯微紅外分析的主要用[Yong]途就是分析被(Bei)焊面或焊點[Dian]表面的有機污染物，分析腐蝕或可焊性不良的(De)原因。?

掃描電子顯微鏡(Jing)分析（SEM）

掃[Sao]描電子顯微鏡(SEM)是進行失[Shi]效分析的一種最有(You)用的(De)大型電子[Zi]顯微成像[Xiang]系統[Tong]，最常用作形(Xing)貌觀察，現時的掃(Sao)描電子[Zi]顯微鏡(Jing)的功能已[Yi]經很強大，任何精細(Xi)結構或表面特[Te]征均可放大到幾十萬[Wan]倍(Bei)進行觀察[Cha]與分析。?

在PCB或焊點的失效分析方面，SEM主[Zhu]要[Yao]用來作失[Shi]效機[Ji]理的分[Fen]析，具體(Ti)說(Shuo)來就是用來[Lai]觀(Guan)察焊盤表面的形貌結構、焊點金相組(Zu)織、測(Ce)量金屬間化物、可焊性鍍層分(Fen)析以及做錫須分析測量等。?

與[Yu]光學顯微鏡不[Bu]同，掃(Sao)描[Miao]電鏡所成的[De]是電子像，因此隻有黑白(Bai)兩色，并且掃[Sao]描電鏡[Jing]的試樣要求導電，對非導體和(He)部分半導(Dao)體(Ti)需要噴金或碳處理，否則(Ze)電荷聚集在[Zai]樣品(Pin)表面就影響樣(Yang)品的觀察。此外，掃描電鏡圖像(Xiang)景深遠遠大于光學顯微[Wei]鏡，是[Shi]針對金[Jin]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(Re)分析(Xi)?

差示掃描量熱儀(DSC)?

差示(Shi)掃描量熱法(Differential Scanning Calorim- etry)是在程序控溫下，測量輸入到物質與參比物質之間的功(Gong)率(Lü)差與溫度(Du)(或時間)關系的[De]一種方法。是研究熱量随(Sui)溫度變化關系的[De]分析方(Fang)法，根據這種變化關系，可研究分析材料的物理化[Hua]學及(Ji)熱力學性能。?

DSC的應用廣泛，但在PCB的分析方面主要用于測量PCB上(Shang)所用的各(Ge)種高[Gao]分子材[Cai]料的固(Gu)化程度、玻璃态轉化溫度，這兩(Liang)個參數決[Jue]定[Ding]着PCB在後[Hou]續工藝過[Guo]程中的可靠性。?

熱機(Ji)械分析儀(Yi)(TMA)?

熱(Re)機械分析技[Ji]術(Thermal Mechanical Analysis)用[Yong]于程序(Xu)控(Kong)溫下，測量[Liang]固體、液體和凝膠在熱或(Huo)機械力(Li)作用下的形變性能。是研究熱與機[Ji]械性能關系的方法，根據形變與溫(Wen)度(或時(Shi)間[Jian])的關系，可研(Yan)究分析材料(Liao)的[De]物理化學及熱[Re]力學性能。?

TMA的應用廣泛，在(Zai)PCB的分析[Xi]方面主要用[Yong]于PCB最關鍵的兩個參(Can)數：測量其線性膨[Peng]脹(Zhang)系數和玻璃态轉化(Hua)溫(Wen)度。膨脹系數[Shu]過大[Da]的基材(Cai)的(De)PCB在焊[Han]接組裝後常常會(Hui)導緻金屬化(Hua)孔的斷裂失效(Xiao)。?

熱重分析(Xi)儀 (TGA)?

熱重法(Thermogravimetry Analysis)是[Shi]在程序控溫(Wen)下，測量物質的質量随溫[Wen]度(或時間)的變化關系的(De)一種方法。TGA通[Tong]過[Guo]精密的電子天平可(Ke)監測物質(Zhi)在程(Cheng)控變溫過程中發生的細[Xi]微的質量變化。?

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