PCB失效分析技术大全

2017-07-09 20:00:00
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摘要:作为 各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽,PCB已经 成为电子信息产品的最为重要而关键的部分,其质 量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。但是 由于成本以及技术的原因,PCB在生 产和应用过程中出现了大量的失效问题。

作为 各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽,PCB已经 成为电子信息产品的最为重要而关键的部分,其质 量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。但是 由于成本以及技术的原因,PCB在生 产和应用过程中出现了大量的失效问题。

对于这种失效问题,我们 需要用到一些常用的失效分析技术,来使得PCB在制 造的时候质量和可靠性水平得到一定的保证,本文 总结了十大失效分析技术,供参考借鉴。

1.外观检查

外观 检查就是目测或利用一些简单仪器,如立体显微镜、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,其工 作原理是利用阴极发射的电子束经阳极加速,由磁 透镜聚焦后形成一束直径为几十至几千埃(A)的电子束流,在扫 描线圈的偏转作用下,电子 束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动,这束 高能电子束轰击到样品表面上会激发出多种信息,经过 收集放大就能从显示屏上得到各种相应的图形。激发 的二次电子产生于样品表面5~10nm范围内,因而,二次 电子能够较好的反映样品表面的形貌,所以 最常用作形貌观察;而激 发的背散射电子则产生于样品表面100~1000nm范围内,随着 物质原子序数的不同而发射不同特征的背散射电子,因此 背散射电子图象具有形貌特征和原子序数判别的能力,也因此,背散 射电子像可反映化学元素成分的分布。现时 的扫描电子显微镜的功能已经很强大,任何 精细结构或表面特征均可放大到几十万倍进行观察与分析。

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。当高 能的电子束撞击样品表面时,表面 物质的原子中的内层电子被轰击逸出,外层 电子向低能级跃迁时就会激发出特征X射线,不同 元素的原子能级差不同而发出的特征X射线就不同,因此,可以 将样品发出的特征X射线 作为化学成分分析。同时按照检测X射线 的信号为特征波长或特征能量又将相应的仪器分别叫波谱分散谱仪(简称波谱仪,WDS)和能量分散谱仪(简称能谱仪,EDS),波谱 仪的分辨率比能谱仪高,能谱 仪的分析速度比波谱仪快。由于 能谱仪的速度快且成本低,所以 一般的扫描电镜配置的都是能谱仪。

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)分析

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(Differential Scanning Calorim-etry)

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。

10.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。

由于PCB高密 度的发展趋势以及无铅与无卤的环保要求,越来越多的PCB出现了润湿不良、爆板、分层、CAF等等各种失效问题。介绍 这些分析技术在实际案例中的应用。PCB失效 机理与原因的获得将有利于将来对PCB的质量控制,从而 避免类似问题的再度发生。


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