PCB十大(dà)失效分析技(jì)術(shù)

      作(zuò)為(wèi)各種元器(qì)件的載體(tǐ)與電(diàn)路信号傳輸的樞紐，PCB已經成為(wèi)電(diàn)子信息産品的最為(wèi)重要而關鍵的部分，其質量的好壞與可(kě)靠性水(shuǐ)平決定了整機設備的質量與可(kě)靠性。但(dàn)是由于成本以及技(jì)術(shù)的原因，PCB在生(shēng)産和(hé)應用過程中出現了大(dà)量的失效問題。 

    對于這種失效問題，我們需要用到一些(xiē)常用的失效分析技(jì)術(shù)，來(lái)使得(de)PCB在制(zhì)造的時(shí)候質量和(hé)可(kě)靠性水(shuǐ)平得(de)到一定的保證，本文總結了十大(dà)失效分析技(jì)術(shù)，供參考借鑒。 

    1、外觀檢查 
    外觀檢查就是目測或利用一些(xiē)簡單儀器(qì)，如立體(tǐ)顯微鏡、金相顯微鏡甚至放大(dà)鏡等工具檢查PCB的外觀，尋找失效的部位和(hé)相關的物證，主要的作(zuò)用就是失效定位和(hé)初步判斷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(diàn)路布線以及失效的規律性、如是批次的或是個(gè)别，是不是總是集中在某個(gè)區(qū)域等等。另外，有(yǒu)許多(duō)PCB的失效是在組裝成PCBA後才發現，是不是組裝工藝過程以及過程所用材料的影(yǐng)響導緻的失效也需要仔細檢查失效區(qū)域的特征。 

    2、X射線透視(shì)檢查 
    對于某些(xiē)不能通(tōng)過外觀檢查到的部位以及PCB的通(tōng)孔內(nèi)部和(hé)其他內(nèi)部缺陷，隻好使用X射線透視(shì)系統來(lái)檢查。X光透視(shì)系統就是利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(lǐ)來(lái)成像。該技(jì)術(shù)更多(duō)地用來(lái)檢查PCBA焊點內(nèi)部的缺陷、通(tōng)孔內(nèi)部缺陷和(hé)高(gāo)密度封裝的BGA或CSP器(qì)件的缺陷焊點的定位。目前的工業X光透視(shì)設備的分辨率可(kě)以達到一個(gè)微米以下，并正由二維向三維成像的設備轉變，甚至已經有(yǒu)五維（5D）的設備用于封裝的檢查，但(dàn)是這種5D的X光透視(shì)系統非常貴重，很(hěn)少(shǎo)在工業界有(yǒu)實際的應用。 

    3、切片分析  
    切片分析就是通(tōng)過取樣、鑲嵌、切片、抛磨、腐蝕、觀察等一系列手段和(hé)步驟獲得(de)PCB橫截面結構的過程。通(tōng)過切片分析可(kě)以得(de)到反映PCB（通(tōng)孔、鍍層等）質量的微觀結構的豐富信息，為(wèi)下一步的質量改進提供很(hěn)好的依據。但(dàn)是該方法是破壞性的，一旦進行(xíng)了切片，樣品就必然遭到破壞；同時(shí)該方法制(zhì)樣要求高(gāo)，制(zhì)樣耗時(shí)也較長，需要訓練有(yǒu)素的技(jì)術(shù)人(rén)員來(lái)完成。要求詳細的切片作(zuò)業過程，可(kě)以參考IPC的标準IPC－TM－650 2．1．1和(hé)IPC－MS－810規定的流程進行(xíng)。 

    4、掃描聲學顯微鏡 
    目前用于電(diàn)子封裝或組裝分析的主要是C模式的超聲掃描聲學顯微鏡，它是利用高(gāo)頻超聲波在材料不連續界面上(shàng)反射産生(shēng)的振幅及位相與極性變化來(lái)成像，其掃描方式是沿着Z軸掃描X－Y平面的信息。因此，掃描聲學顯微鏡可(kě)以用來(lái)檢測元器(qì)件、材料以及PCB與PCBA內(nèi)部的各種缺陷，包括裂紋、分層、夾雜物以及空(kōng)洞等。如果掃描聲學的頻率寬度足夠的話(huà)，還(hái)可(kě)以直接檢測到焊點的內(nèi)部缺陷。典型的掃描聲學的圖像是以紅色的警示色表示缺陷的存在，由于大(dà)量塑料封裝的元器(qì)件使用在SMT工藝中，由有(yǒu)鉛轉換成無鉛工藝的過程中，大(dà)量的潮濕回流敏感問題産生(shēng)，即吸濕的塑封器(qì)件會(huì)在更高(gāo)的無鉛工藝溫度下回流時(shí)出現內(nèi)部或基闆分層開(kāi)裂現象，在無鉛工藝的高(gāo)溫下普通(tōng)的PCB也會(huì)常常出現爆闆現象。此時(shí)，掃描聲學顯微鏡就凸現其在多(duō)層高(gāo)密度PCB無損探傷方面的特别優勢。而一般的明(míng)顯的爆闆則隻需通(tōng)過目測外觀就能檢測出來(lái)。 

    5、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分析方法，它利用不同材料（主要是有(yǒu)機物）對紅外光譜不同吸收的原理(lǐ)，分析材料的化合物成分，再結合顯微鏡可(kě)使可(kě)見光與紅外光同光路，隻要在可(kě)見的視(shì)場(chǎng)下，就可(kě)以尋找要分析微量的有(yǒu)機污染物。如果沒有(yǒu)顯微鏡的結合，通(tōng)常紅外光譜隻能分析樣品量較多(duō)的樣品。而電(diàn)子工藝中很(hěn)多(duō)情況是微量污染就可(kě)以導緻PCB焊盤或引線腳的可(kě)焊性不良，可(kě)以想象，沒有(yǒu)顯微鏡配套的紅外光譜是很(hěn)難解決工藝問題的。顯微紅外分析的主要用途就是分析被焊面或焊點表面的有(yǒu)機污染物，分析腐蝕或可(kě)焊性不良的原因。 

    6、掃描電(diàn)子顯微鏡分析 
    掃描電(diàn)子顯微鏡（SEM）是進行(xíng)失效分析的一種最有(yǒu)用的大(dà)型電(diàn)子顯微成像系統，其工作(zuò)原理(lǐ)是利用陰極發射的電(diàn)子束經陽極加速，由磁透鏡聚焦後形成一束直徑為(wèi)幾十至幾千埃（A）的電(diàn)子束流，在掃描線圈的偏轉作(zuò)用下，電(diàn)子束以一定時(shí)間(jiān)和(hé)空(kōng)間(jiān)順序在試樣表面作(zuò)逐點式掃描運動，這束高(gāo)能電(diàn)子束轟擊到樣品表面上(shàng)會(huì)激發出多(duō)種信息，經過收集放大(dà)就能從顯示屏上(shàng)得(de)到各種相應的圖形。激發的二次電(diàn)子産生(shēng)于樣品表面5～10nm範圍內(nèi)，因而，二次電(diàn)子能夠較好的反映樣品表面的形貌，所以最常用作(zuò)形貌觀察；而激發的背散射電(diàn)子則産生(shēng)于樣品表面100～1000nm範圍內(nèi)，随着物質原子序數(shù)的不同而發射不同特征的背散射電(diàn)子，因此背散射電(diàn)子圖象具有(yǒu)形貌特征和(hé)原子序數(shù)判别的能力，也因此，背散射電(diàn)子像可(kě)反映化學元素成分的分布。現時(shí)的掃描電(diàn)子顯微鏡的功能已經很(hěn)強大(dà)，任何精細結構或表面特征均可(kě)放大(dà)到幾十萬倍進行(xíng)觀察與分析。 
    在PCB或焊點的失效分析方面，SEM主要用來(lái)作(zuò)失效機理(lǐ)的分析，具體(tǐ)說來(lái)就是用來(lái)觀察焊盤表面的形貌結構、焊點金相組織、測量金屬間(jiān)化物、可(kě)焊性鍍層分析以及做(zuò)錫須分析測量等。與光學顯微鏡不同，掃描電(diàn)鏡所成的是電(diàn)子像，因此隻有(yǒu)黑(hēi)白兩色，并且掃描電(diàn)鏡的試樣要求導電(diàn)，對非導體(tǐ)和(hé)部分半導體(tǐ)需要噴金或碳處理(lǐ)，否則電(diàn)荷聚集在樣品表面就影(yǐng)響樣品的觀察。此外，掃描電(diàn)鏡圖像景深遠遠大(dà)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。 

    7、X射線能譜分析 
    上(shàng)面所說的掃描電(diàn)鏡一般都配有(yǒu)X射線能譜儀。當高(gāo)能的電(diàn)子束撞擊樣品表面時(shí)，表面物質的原子中的內(nèi)層電(diàn)子被轟擊逸出，外層電(diàn)子向低(dī)能級躍遷時(shí)就會(huì)激發出特征X射線，不同元素的原子能級差不同而發出的特征X射線就不同，因此，可(kě)以将樣品發出的特征X射線作(zuò)為(wèi)化學成分分析。同時(shí)按照檢測X射線的信号為(wèi)特征波長或特征能量又将相應的儀器(qì)分别叫波譜分散譜儀（簡稱波譜儀，WDS）和(hé)能量分散譜儀（簡稱能譜儀，EDS），波譜儀的分辨率比能譜儀高(gāo)，能譜儀的分析速度比波譜儀快。由于能譜儀的速度快且成本低(dī)，所以一般的掃描電(diàn)鏡配置的都是能譜儀。 
    随着電(diàn)子束的掃描方式不同，能譜儀可(kě)以進行(xíng)表面的點分析、線分析和(hé)面分析，可(kě)得(de)到元素不同分布的信息。點分析得(de)到一點的所有(yǒu)元素；線分析每次對指定的一條線做(zuò)一種元素分析，多(duō)次掃描得(de)到所有(yǒu)元素的線分布；面分析對一個(gè)指定面內(nèi)的所有(yǒu)元素分析，測得(de)元素含量是測量面範圍的平均值。 
    在PCB的分析上(shàng)，能譜儀主要用于焊盤表面的成分分析，可(kě)焊性不良的焊盤與引線腳表面污染物的元素分析。能譜儀的定量分析的準确度有(yǒu)限，低(dī)于0．1％的含量一般不易檢出。能譜與SEM結合使用可(kě)以同時(shí)獲得(de)表面形貌與成分的信息，這是它們應用廣泛的原因所在。 

    8、光電(diàn)子能譜（XPS）分析 
    樣品受X射線照射時(shí)，表面原子的內(nèi)殼層電(diàn)子會(huì)脫離原子核的束縛而逸出固體(tǐ)表面形成電(diàn)子，測量其動能Ex，可(kě)得(de)到原子的內(nèi)殼層電(diàn)子的結合能Eb，Eb因不同元素和(hé)不同電(diàn)子殼層而異，它是原子的“指紋”标識參數(shù)，形成的譜線即為(wèi)光電(diàn)子能譜（XPS）。XPS可(kě)以用來(lái)進行(xíng)樣品表面淺表面（幾個(gè)納米級）元素的定性和(hé)定量分析。此外，還(hái)可(kě)根據結合能的化學位移獲得(de)有(yǒu)關元素化學價态的信息。能給出表面層原子價态與周圍元素鍵合等信息；入射束為(wèi)X射線光子束，因此可(kě)進行(xíng)絕緣樣品分析，不損傷被分析樣品快速多(duō)元素分析；還(hái)可(kě)以在氩離子剝離的情況下對多(duō)層進行(xíng)縱向的元素分布分析（可(kě)參見後面的案例），且靈敏度遠比能譜（EDS）高(gāo)。XPS在PCB的分析方面主要用于焊盤鍍層質量的分析、污染物分析和(hé)氧化程度的分析，以确定可(kě)焊性不良的深層次原因。 

    9、熱分析差示掃描量熱法 
    在程序控溫下，測量輸入到物質與參比物質之間(jiān)的功率差與溫度（或時(shí)間(jiān)）關系的一種方法。DSC在試樣和(hé)參比物容器(qì)下裝有(yǒu)兩組補償加熱絲，當試樣在加熱過程中由于熱效應與參比物之間(jiān)出現溫差ΔT時(shí)，可(kě)通(tōng)過差熱放大(dà)電(diàn)路和(hé)差動熱量補償放大(dà)器(qì)，使流入補償電(diàn)熱絲的電(diàn)流發生(shēng)變化。 
    而使兩邊熱量平衡，溫差ΔT消失，并記錄試樣和(hé)參比物下兩隻電(diàn)熱補償的熱功率之差随溫度（或時(shí)間(jiān)）的變化關系，根據這種變化關系，可(kě)研究分析材料的物理(lǐ)化學及熱力學性能。 DSC的應用廣泛，但(dàn)在PCB的分析方面主要用于測量PCB上(shàng)所用的各種高(gāo)分子材料的固化程度、玻璃态轉化溫度，這兩個(gè)參數(shù)決定着PCB在後續工藝過程中的可(kě)靠性。 

    10、熱機械分析儀（TMA） 
    熱機械分析技(jì)術(shù)（Thermal Mechanical Analysis）用于程序控溫下，測量固體(tǐ)、液體(tǐ)和(hé)凝膠在熱或機械力作(zuò)用下的形變性能，常用的負荷方式有(yǒu)壓縮、針入、拉伸、彎曲等。測試探頭由固定在其上(shàng)面的懸臂梁和(hé)螺旋彈簧支撐，通(tōng)過馬達對試樣施加載荷，當試樣發生(shēng)形變時(shí)，差動變壓器(qì)檢測到此變化，并連同溫度、應力和(hé)應變等數(shù)據進行(xíng)處理(lǐ)後可(kě)得(de)到物質在可(kě)忽略負荷下形變與溫度（或時(shí)間(jiān)）的關系。根據形變與溫度（或時(shí)間(jiān)）的關系，可(kě)研究分析材料的物理(lǐ)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最關鍵的兩個(gè)參數(shù)：測量其線性膨脹系數(shù)和(hé)玻璃态轉化溫度。膨脹系數(shù)過大(dà)的基材的PCB在焊接組裝後常常會(huì)導緻金屬化孔的斷裂失效。 
    由于PCB高(gāo)密度的發展趨勢以及無鉛與無鹵的環保要求，越來(lái)越多(duō)的PCB出現了潤濕不良、爆闆、分層、CAF等等各種失效問題。介紹這些(xiē)分析技(jì)術(shù)在實際案例中的應用。PCB失效機理(lǐ)與原因的獲得(de)将有(yǒu)利于将來(lái)對PCB的質量控制(zhì)，從而避免類似問題的再度發生(shēng)。