PCB失效分析技術大全

2017-07-09 20:00:00
暢想照明
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摘要:作為各種元器件的載體與電路信號傳輸的樞紐,PCB已經成為電子信息產品的最為重要而關鍵的部分,其質量的好壞與可靠性水平決定了整機設備的質量與可靠性。但是由于成本以及技術的原因,PCB在生產和應用過程中出現了大量的失效問題。

作為各種元器件的載體與電路信號傳輸的樞紐,PCB已經成為電子信息產品的最為重要而關鍵的部分,其質量的好壞與可靠性水平決定了整機設備的質量與可靠性。但是由于成本以及技術的原因,PCB在生產和應用過程中出現了大量的失效問題。

對于這種失效問題,我們需要用到一些常用的失效分析技術,來使得PCB在制造的時候質量和可靠性水平得到一定的保證,本文總結了十大失效分析技術,供參考借鑒。

1.外觀檢查

外觀檢查就是目測或利用一些簡單儀器,如立體顯微鏡、金相顯微鏡甚至放大鏡等工具檢查PCB的外觀,尋找失效的部位和相關的物證,主要的作用就是失效定位和初步判斷PCB的失效模式。外觀檢查主要檢查PCB的污染、腐蝕、爆板的位置、電路布線以及失效的規律性、如是批次的或是個別,是不是總是集中在某個區域等等。另外,有許多PCB的失效是在組裝成PCBA后才發現,是不是組裝工藝過程以及過程所用材料的影響導致的失效也需要仔細檢查失效區域的特征。

2.X射線透視檢查

對于某些不能通過外觀檢查到的部位以及PCB的通孔內部和其他內部缺陷,只好使用X射線透視系統來檢查。X光透視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來成像。 該技術更多地用來檢查PCBA焊點內部的缺陷、通孔內部缺陷和高密度封裝的BGA或CSP器件的缺陷焊點的定位。目前的工業X光透視設備的分辨率可以達到一個微米以下,并正由二維向三維成像的設備轉變,甚至已經有五維(5D)的設備用于封裝的檢查,但是這種5D的X光透視系統非常貴重,很少在工業界有實際的應用。

3.切片分析

切片分析就是通過取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕、觀察等一系列手段和步驟獲得PCB橫截面結構的過程。通過切片分析可以得到反映PCB(通孔、鍍層等)質量的微觀結構的豐富信息,為下一步的質量改進提供很好的依據。但是該方法是破壞性的,一旦進行了切片,樣品就必然遭到破壞;同時該方法制樣要求高,制樣耗時也較長,需要訓練有素的技術人員來完成。要求詳細的切片作業過程,可以參考IPC的標準IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810規定的流程進行。

4.掃描聲學顯微鏡

目前用于電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,它是利用高頻超聲波在材料不連續界面上反射產生的振幅及位相與極性變化來成像,其掃描方式是沿著Z軸掃描X-Y平面的信息。因此,掃描聲學顯微鏡可以用來檢測元器件、材料以及PCB與PCBA內部的各種缺陷,包括裂紋、分層、夾雜物以及空洞等。如果掃描聲學的頻率寬度足夠的話,還可以直接檢測到焊點的內部缺陷。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,由于大量塑料封裝的元器件使用在SMT工藝中,由有鉛轉換成無鉛工藝的過程中,大量的潮濕回流敏感問題產生,即吸濕的塑封器件會在更高的無鉛工藝溫度下回流時出現內部或基板分層開裂現象,在無鉛工藝的高溫下普通的PCB也會常常出現爆板現象。此時,掃描聲學顯微鏡就凸現其在多層高密度PCB無損探傷方面的特別優勢。而一般的明顯的爆板則只需通過目測外觀就能檢測出來。

5.顯微紅外分析

顯微紅外分析就是將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(主要是有機物)對紅外光譜不同吸收的原理,分析材料的化合物成分,再結合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路,只要在可見的視場下,就可以尋找要分析微量的有機污染物。如果沒有顯微鏡的結合,通常紅外光譜只能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以導致PCB焊盤或引線腳的可焊性不良,可以想象,沒有顯微鏡配套的紅外光譜是很難解決工藝問題的。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機污染物,分析腐蝕或可焊性不良的原因。

6.掃描電子顯微鏡分析

掃描電子顯微鏡(SEM)是進行失效分析的一種最有用的大型電子顯微成像系統,其工作原理是利用陰極發射的電子束經陽極加速,由磁透鏡聚焦后形成一束直徑為幾十至幾千埃(A)的電子束流,在掃描線圈的偏轉作用下,電子束以一定時間和空間順序在試樣表面作逐點式掃描運動,這束高能電子束轟擊到樣品表面上會激發出多種信息,經過收集放大就能從顯示屏上得到各種相應的圖形。激發的二次電子產生于樣品表面5~10nm范圍內,因而,二次電子能夠較好的反映樣品表面的形貌,所以最常用作形貌觀察;而激發的背散射電子則產生于樣品表面100~1000nm范圍內,隨著物質原子序數的不同而發射不同特征的背散射電子,因此背散射電子圖象具有形貌特征和原子序數判別的能力,也因此,背散射電子像可反映化學元素成分的分布?,F時的掃描電子顯微鏡的功能已經很強大,任何精細結構或表面特征均可放大到幾十萬倍進行觀察與分析。

在PCB或焊點的失效分析方面,SEM主要用來作失效機理的分析,具體說來就是用來觀察焊盤表面的形貌結構、焊點金相組織、測量金屬間化物、可焊性鍍層分析以及做錫須分析測量等。與光學顯微鏡不同,掃描電鏡所成的是電子像,因此只有黑白兩色,并且掃描電鏡的試樣要求導電,對非導體和部分半導體需要噴金或碳處理,否則電荷聚集在樣品表面就影響樣品的觀察。此外,掃描電鏡圖像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析方法。

7.X射線能譜分析

上面所說的掃描電鏡一般都配有X射線能譜儀。當高能的電子束撞擊樣品表面時,表面物質的原子中的內層電子被轟擊逸出,外層電子向低能級躍遷時就會激發出特征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,可以將樣品發出的特征X射線作為化學成分分析。同時按照檢測X射線的信號為特征波長或特征能量又將相應的儀器分別叫波譜分散譜儀(簡稱波譜儀,WDS)和能量分散譜儀(簡稱能譜儀,EDS),波譜儀的分辨率比能譜儀高,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,所以一般的掃描電鏡配置的都是能譜儀。

隨著電子束的掃描方式不同,能譜儀可以進行表面的點分析、線分析和面分析,可得到元素不同分布的信息。點分析得到一點的所有元素;線分析每次對指定的一條線做一種元素分析,多次掃描得到所有元素的線分布;面分析對一個指定面內的所有元素分析,測得元素含量是測量面范圍的平均值。

在PCB的分析上,能譜儀主要用于焊盤表面的成分分析,可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確度有限,低于0.1%的含量一般不易檢出。能譜與SEM結合使用可以同時獲得表面形貌與成分的信息,這是它們應用廣泛的原因所在。

8.光電子能譜(XPS)分析

樣品受X射線照射時,表面原子的內殼層電子會脫離原子核的束縛而逸出固體表面形成電子,測量其動能Ex,可得到原子的內殼層電子的結合能Eb,Eb因不同元素和不同電子殼層而異,它是原子的“指紋”標識參數,形成的譜線即為光電子能譜(XPS)。XPS可以用來進行樣品表面淺表面(幾個納米級)元素的定性和定量分析。此外,還可根據結合能的化學位移獲得有關元素化學價態的信息。能給出表面層原子價態與周圍元素鍵合等信息;入射束為X射線光子束,因此可進行絕緣樣品分析,不損傷被分析樣品快速多元素分析;還可以在氬離子剝離的情況下對多層進行縱向的元素分布分析(可參見后面的案例),且靈敏度遠比能譜(EDS)高。XPS在PCB的分析方面主要用于焊盤鍍層質量的分析、污染物分析和氧化程度的分析,以確定可焊性不良的深層次原因。

9.熱分析差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorim-etry)

在程序控溫下,測量輸入到物質與參比物質之間的功率差與溫度(或時間)關系的一種方法。DSC在試樣和參比物容器下裝有兩組補償加熱絲,當試樣在加熱過程中由于熱效應與參比物之間出現溫差ΔT時,可通過差熱放大電路和差動熱量補償放大器,使流入補償電熱絲的電流發生變化。

而使兩邊熱量平衡,溫差ΔT消失,并記錄試樣和參比物下兩只電熱補償的熱功率之差隨溫度(或時間)的變化關系,根據這種變化關系,可研究分析材料的物理化學及熱力學性能。 DSC的應用廣泛,但在PCB的分析方面主要用于測量PCB上所用的各種高分子材料的固化程度、玻璃態轉化溫度,這兩個參數決定著PCB在后續工藝過程中的可靠性。

10.熱機械分析儀(TMA)

熱機械分析技術(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控溫下,測量固體、液體和凝膠在熱或機械力作用下的形變性能,常用的負荷方式有壓縮、針入、拉伸、彎曲等。測試探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐,通過馬達對試樣施加載荷,當試樣發生形變時,差動變壓器檢測到此變化,并連同溫度、應力和應變等數據進行處理后可得到物質在可忽略負荷下形變與溫度(或時間)的關系。根據形變與溫度(或時間)的關系,可研究分析材料的物理化學及熱力學性能。TMA的應用廣泛,在PCB的分析方面主要用于PCB最關鍵的兩個參數:測量其線性膨脹系數和玻璃態轉化溫度。膨脹系數過大的基材的PCB在焊接組裝后常常會導致金屬化孔的斷裂失效。

由于PCB高密度的發展趨勢以及無鉛與無鹵的環保要求,越來越多的PCB出現了潤濕不良、爆板、分層、CAF等等各種失效問題。介紹這些分析技術在實際案例中的應用。PCB失效機理與原因的獲得將有利于將來對PCB的質量控制,從而避免類似問題的再度發生。


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