PCB/PCBA的失效分析

  新闻资讯     |      2019-07-25 02:53:01
产品在使用过程中常发生断裂、变形、磨损及腐蚀等失效现象。为了防止或延缓这些失效现象的发生,
找出失效原因和提出改善措施,必须开展失效分析。
目前,随着现代科学技术的迅速发展,失效分析已经成为一门综合性学科。它不仅与材料科学、断裂
力学、断裂物理和断口学等自然科学相关联,而且还涉及产品质量全面管理等社会科学领域。
 


PCB/PCBA常见的失效现象:

板面变色 漏电
板面氧化腐蚀     板面起泡/分层
开路/短路 表面异物分析
板面电迁移 器件脱落/焊点开裂



常用的失效分析技术手段:
 
无损检测:
外观检测
X射线透视检测
三维CT检测
C-SAM检测
红外热成像
 
热分析:
差示扫描量热法(DSC)
热机械分析(TMA)
热重分析(TGA)
动态热机械分析(DMA)
导热系数(稳态热流法、激光散射法)
 
表面元素分析
扫描电镜及能谱分析(SEM•EDS)
显微红外分析(FTIR)
俄歇电子能谱分析(AES)
X射线光电子能谱分析(XPS)
二次离谱质谱分析(TOF-SIMS)
 
破坏性检测:
染色及渗透检测
切片分析:金相切片分析、聚焦离子束(FIB)制样、离子研磨(CP)制样
 
电性能检测:
击穿电压、耐电压、介电常数、电迁移、阻抗、导通电阻、绝缘电阻
 

失效复现试验/验证



对于这些失效问题,我们需要用到一些常用的失效分析技术,使PCB在制造的时候质量和可靠性水平得到一定的保证,
本文总结了九项用于PCB失效分析的技术,包括:外观检查、X射线透视检查、金相切片分析、热分析、光电子能谱
分析、显微红外分析、扫描声学显微镜、扫描电镜分析以及X射线能谱分析等。



1.外观检查

外观检查就是目测或利用一些简单仪器,如光学显微镜、立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB的外观,
寻找失效的部位和相关的物证,主要的作用就是失效定位和初步判断PCB的失效模式。外观检查主要检查PCB的污染、
腐蚀、爆板的位置、电路布线以及失效的规律性、如是批次的或是个别,是不是总是集中在某个区域等等。另外,有许
多PCB的失效是在组装成PCBA后才发现,是不是组装工艺过程以及过程所用材料的影响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征。



2.X射线透视检查

对于某些不能通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷,只好使用X射线透视系统来检查。
X光透视系统就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X光的吸湿或透过率的不同原理来成像。该技术更多
地用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷和高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位。目前
的工业X光透视设备的分辨率可以达到一个微米以下,并正由二维向三维成像的设备转变,甚至已经有五维
(5D)的设备用于封装的检查,但是这种5D的X光透视系统非常贵重,很少在工业界有实际的应用。
 


3.切片分析
 
切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB横截面结构的过程。
通过切片分析可以得到反映PCB(通孔、镀层等)质量的微观结构的丰富信息,为下一步的质量改进提供
很好的依据。但是该方法是破坏性的,一旦进行了切片,样品就必然遭到破坏;同时该方法制样要求高,
制样耗时也较长,需要训练有素的技术人员来完成。要求详细的切片作业过程,可以参考IPC的标准
IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810规定的流程进行。

 

4.扫描声学显微镜

目前用于电子封装或组装分析的主要是C模式的超声扫描声学显微镜,它是利用高频超声波在材料不连续
界面上反射产生的振幅及位相与极性变化来成像,其扫描方式是沿着Z轴扫描X-Y平面的信息。因此,扫
描声学显微镜可以用来检测元器件、材料以及PCB与PCBA内部的各种缺陷,包括裂纹、分层、夹杂物以
及空洞等。如果扫描声学的频率宽度足够的话,还可以直接检测到焊点的内部缺陷。典型的扫描声学的图
像是以红色的警示色表示缺陷的存在,由于大量塑料封装的元器件使用在SMT工艺中,由有铅转换成无铅
工艺的过程中,大量的潮湿回流敏感问题产生,即吸湿的塑封器件会在更高的无铅工艺温度下回流时出现
内部或基板分层开裂现象,在无铅工艺的高温下普通的PCB也会常常出现爆板现象。此时,扫描声学显微
镜就凸现其在多层高密度PCB无损探伤方面的特别优势。而一般的明显的爆板则只需通过目测外观就能检测出来。

 

5.显微红外分析

显微红外分析就是将红外光谱与显微镜结合在一起的分析方法,它利用不同材料(主要是有机物)对红外
光谱不同吸收的原理,分析材料的化合物成分,再结合显微镜可使可见光与红外光同光路,只要在可见的
视场下,就可以寻找要分析微量的有机污染物。如果没有显微镜的结合,通常红外光谱只能分析样品量较
多的样品。而电子工艺中很多情况是微量污染就可以导致PCB焊盘或引线脚的可焊性不良,可以想象,没
有显微镜配套的红外光谱是很难解决工艺问题的。显微红外分析的主要用途就是分析被焊面或焊点表面的
有机污染物,分析腐蚀或可焊性不良的原因。

 

6.扫描电子显微镜分析

扫描电子显微镜(SEM)是进行失效分析的一种最有用的大型电子显微成像系统。在PCB或焊点的失效分
析方面,SEM主要用来作失效机理的分析,具体说来就是用来观察焊盘表面的形貌结构、焊点金相组织、
测量金属间化物、可焊性镀层分析以及做锡须分析测量等。与光学显微镜不同,扫描电镜所成的是电子像,
因此只有黑白两色,并且扫描电镜的试样要求导电,对非导体和部分半导体需要喷金或碳处理,否则电荷
聚集在样品表面就影响样品的观察。此外,扫描电镜图像景深远远大于光学显微镜,是针对金相结构、显
微断口以及锡须等不平整样品的重要分析方法。

 

7.X射线能谱分析

上面所说的扫描电镜一般都配有X射线能谱仪。随着电子束的扫描方式不同,能谱仪可以进行表面的点分析、
线分析和面分析,可得到元素不同分布的信息。点分析得到一点的所有元素;线分析每次对指定的一条线做
一种元素分析,多次扫描得到所有元素的线分布;面分析对一个指定面内的所有元素分析,测得元素含量是
测量面范围的平均值。在PCB的分析上,能谱仪主要用于焊盘表面的成分分析,可焊性不良的焊盘与引线脚
表面污染物的元素分析。能谱仪的定量分析的准确度有限,低于0.1%的含量一般不易检出。能谱与SEM结合
使用可以同时获得表面形貌与成分的信息,这是它们应用广泛的原因所在。

 

8.光电子能谱(XPS)

样品受X射线照射时,表面原子的内壳层电子会脱离原子核的束缚而逸出固体表面形成电子,测量其动能Ex,
可得到原子的内壳层电子的结合能Eb,Eb因不同元素和不同电子壳层而异,它是原子的“指纹”标识参数,形成
的谱线即为光电子能谱(XPS)。XPS可以用来进行样品表面浅表面(几个纳米级)元素的定性和定量分析。
此外,还可根据结合能的化学位移获得有关元素化学价态的信息。能给出表面层原子价态与周围元素键合等
信息;入射束为X射线光子束,因此可进行绝缘样品分析,不损伤被分析样品快速多元素分析;还可以在氩
离子剥离的情况下对多层进行纵向的元素分布分析(可参见后面的案例),且灵敏度远比能谱(EDS)高。
XPS在PCB的分析方面主要用于焊盘镀层质量的分析、污染物分析和氧化程度的分析,以确定可焊性不良的深层次原因。

 

9.热分析
 
差示扫描量热法(DSC):
在程序控温下,测量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度(或时间)关系的一种方法。DSC在试样和参比物
容器下装有两组补偿加热丝,当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时,可通过差热放大电路和
差动热量补偿放大器,使流入补偿电热丝的电流发生变化,而使两边热量平衡,温差ΔT消失,并记录试样和参比物
下两只电热补偿的热功率之差随温度(或时间)的变化关系,根据这种变化关系,可研究分析材料的物理化学及热
力学性能。DSC的应用广泛,但在PCB的分析方面主要用于测量PCB上所用的各种高分子材料的固化程度、玻璃态
转化温度,这两个参数决定着PCB在后续工艺过程中的可靠性。


热机械分析仪 (TMA):
热机械分析技术(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控温下,测量固体、液体和凝胶在热或机械力作用下的
形变性能,常用的负荷方式有压缩、针入、拉伸、弯曲等。测试探头由固定在其上面的悬臂梁和螺旋弹簧支撑,通
过马达对试样施加载荷,当试样发生形变时,差动变压器检测到此变化,并连同温度、应力和应变等数据进行处理
后可得到物质在可忽略负荷下形变与温度(或时间)的关系。根据形变与温度(或时间)的关系,可研究分析材料
的物理化学及热力学性能。TMA的应用广泛,在PCB的分析方面主要用于PCB最关键的两个参数:测量其线性膨胀
系数和玻璃态转化温度。膨胀系数过大的基材的PCB在焊接组装后常常会导致金属化孔的断裂失效。
 
热重分析仪 (TGA)
热重法(Thermogravimetry Analysis)是在程序控温下,测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系的一种方法。
TGA通过精密的电子天平可监测物质在程控变温过程中发生的细微的质量变化。
根据物质质量随温度(或时间)的变化关系,可研究分析材料的物理化学及热力学性能。在PCB的分析方面,
主要用于测量PCB材料的热稳定性或热分解温度,如果基材的热分解温度太低,PCB在经过焊接过程的高温时将会发生爆板或分层失效现象。

 


PCB失效分析步骤:
 
PCB或PCBA的失效分析一样,如果使用电烙铁对失效的焊点进行补焊处理或大剪刀进行强力
剪裁PCB,那么再分析就无从下手了,失效的现场已经破坏了。特别是在失效样品少的情况下
,一旦破坏或损伤了失效现场的环境,真正的失效原因就无法获得了。


 
 


失效分析的过程主要分为5个步骤:“①收集不良板信息→②失效现象确认→③失效原因分析→④失效根因验证→⑤报告结论,改善建议”。
其中,第①步主要是了解不良PCB板的失效内容、工艺流程、结构设计、生产状况、使用状况、储存状况等信息,为后续分析过程展开作准备;
第②步是根据失效信息,确定失效位置,判断失效模式;
第③步是针对失效模式展开分析,根据失效根因故障树来逐一排查根因,倘若在已有的故障树中还无法确认原因,则需要
通过专题立项等方式研究这类失效问题,并将研究结论加入到原有故障树中,使故障树不断丰富完善,穷尽根因,形成反复迭代升级的有效循环模式;
再通过第④步进行复现性实验,验证根因;最终输出失效分析报告,对失效根因给出针对性的改善方案。
 
针对PCB/PCBA的常见板级失效现象,我们通过建立各种失效模式的根因故障树,并在实战中持续积累、提炼、更新,
从深度和广度上,迭代上升,从而形成相对较完善的分层起泡、可焊性不良、键合不良、导通不良和绝缘不良等高频
失效模式的根因故障树分析流程,能够帮助大家在后续实战中,跟随故障树的失效分析流程,快速的定位失效根因,解决问题,事半功倍。

通过对故障树的各项根因进行验证,从而形成标准库文件。根因判定标准库的来源主要有几个方面:
①IPC、GJB、行业标准等文件;②正常产品与异常产品对比库;③研发项目经验、生产经验文件库等。
同时,对故障树中每个失效根因涉及到的评判方法和评判标准进行总结归类,将PCB常见的标准和各类
异常数据汇总整理,形成PCB失效分析标准库,供后续案例开展进行参照。



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