九項PCB失效分析的技術(shù)總結(jié)

作為各種元器件的載體與電路信號傳輸?shù)臉屑~，PCB 已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)品的最為重要而關(guān)鍵的部分，其質(zhì)量的好壞與可靠性水平?jīng)Q定了整機(jī)設(shè)備的質(zhì)量與可靠性。但是由于成本以及技術(shù)的原因，PCB 在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中出現(xiàn)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(shù)，來使得 PCB在制造的時候質(zhì)量和可靠性水平得到一定的保證，為此筆者為大家重點總結(jié)了九項用于 PCB 失效分析的技術(shù)，包括：外觀檢查、X 射線透視檢查、金相切片分析、熱分析、光電子能譜分析、顯微紅外分析、掃描電鏡分析以及 X 射線能譜分析等。

那么就要用到一些常用的失效分析技術(shù)。介于 PCB 的結(jié)構(gòu)特點與失效的主要模式，其中金相切片分析是屬于破壞性的分析技術(shù)，一旦使用了這兩種技術(shù)，樣品就破壞了，且無法恢復(fù)；另外由于制樣的要求，可能掃描電鏡分析和 X 射線能譜分析有時也需要部分破壞樣品。此外，在分析的過程中可能還會由于失效定位和失效原因的驗證的需要，可能需要使用如熱應(yīng)力、電性能、可焊性測試與尺寸測量等方面的試驗技術(shù)，這里就不專門介紹了。

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(guān)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(guī)律性、如是批次的或是個別，是不是總是集中在某個區(qū)域等等。另外，有許多 PCB 的失效是在組裝成 PCBA 后才發(fā)現(xiàn)，是不是組裝工藝過程以及過程所用材料的影響導(dǎo)致的失效也需要仔細(xì)檢查失效區(qū)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(nèi)部和其他內(nèi)部缺陷，只好使用 X 射線透視系統(tǒng)來檢查。X 光透視系統(tǒng)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(shù)更多地用來檢查 PCBA 焊點內(nèi)部的缺陷、通孔內(nèi)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(yè) X 光透視設(shè)備的分辨率可以達(dá)到一個微米以下，并正由二維向三維成像的設(shè)備轉(zhuǎn)變，甚至已經(jīng)有五維（5D）的設(shè)備用于封裝的檢查，但是這種 5D 的 X 光透視系統(tǒng)非常貴重，很少在工業(yè)界有實際的應(yīng)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(jié)構(gòu)的過程。通過切片分析可以得到反映 PCB（通孔、鍍層等）質(zhì)量的微觀結(jié)構(gòu)的豐富信息，為下一步的質(zhì)量改進(jìn)提供很好的依據(jù)。但是該方法是破壞性的，一旦進(jìn)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(xùn)練有素的技術(shù)人員來完成。要求詳細(xì)的切片作業(yè)過程，可以參考 IPC 的標(biāo)準(zhǔn) IPC-TM-650 2.1.1 和 IPC-MS-810 規(guī)定的流程進(jìn)行。

4.掃描聲學(xué)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(xué)顯微鏡，它是利用高頻超聲波在材料不連續(xù)界面上反射產(chǎn)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(xué)顯微鏡可以用來檢測元器件、材料以及 PCB 與 PCBA 內(nèi)部的各種缺陷，包括裂紋、分層、夾雜物以及空洞等。如果掃描聲學(xué)的頻率寬度足夠的話，還可以直接檢測到焊點的內(nèi)部缺陷。典型的掃描聲學(xué)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(zhuǎn)換成無鉛工藝的過程中，大量的潮濕回流敏感問題產(chǎn)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(xiàn)內(nèi)部或基板分層開裂現(xiàn)象，在無鉛工藝的高溫下普通的 PCB 也會常常出現(xiàn)爆板現(xiàn)象。此時，掃描聲學(xué)顯微鏡就凸現(xiàn)其在多層高密度 PCB 無損探傷

方面的特別優(yōu)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(jié)合在一起的分析方法，它利用不同材料（主要是有機(jī)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(jié)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(jī)污染物。如果沒有顯微鏡的結(jié)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(dǎo)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(jī)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(jìn)行失效分析的一種最有用的大型電子顯微成像系統(tǒng)，其工作原理是利用陰極發(fā)射的電子束經(jīng)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(zhuǎn)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(yùn)動，這束高能電子束轟擊到樣品表面上會激發(fā)出多種信息，經(jīng)過收集放大就能從顯示屏上得到各種相應(yīng)的圖形。激發(fā)的二次電子產(chǎn)生于樣品表面 5~10nm 范圍內(nèi)，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(fā)的背散射電子則產(chǎn)生于樣品表面 100~1000nm 范圍內(nèi)，隨著物質(zhì)原子序數(shù)的不同而發(fā)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(shù)判別的能力，也因此，背散射電子像可反映化學(xué)元素成分的分布?，F(xiàn)時的掃描電子顯微鏡的功能已經(jīng)很強(qiáng)大，任何精細(xì)結(jié)構(gòu)或表面特征均可放大到幾十萬倍進(jìn)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(jī)理的分析，具體說來就是用來觀察焊盤表面的形貌結(jié)構(gòu)、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(xué)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(dǎo)電，對非導(dǎo)體和部分半導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡，是針對金相結(jié)構(gòu)、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(dāng)高能的電子束撞擊樣品表面時，表面物質(zhì)的原子中的內(nèi)層電子被轟擊逸出，外層電子向低能級躍遷時就會激發(fā)出特征 X 射線，不同元素的原子能級差不同而發(fā)出的特征X 射線就不同，因此，可以將樣品發(fā)出的特征 X 射線作為化學(xué)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(yīng)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(jìn)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(nèi)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(zhǔn)確度有限，低于 0.1%的含量一般不易檢出。能譜與 SEM 結(jié)合使用可以同時獲得表面形貌與成分的信息，這是它們應(yīng)用廣泛的原因所在。

8.光電子能譜（XPS）。樣品受 X 射線照射時，表面原子的內(nèi)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(nèi)殼層電子的結(jié)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(biāo)識參數(shù)，形成的譜線即為光電子能譜（XPS）。XPS 可以用來進(jìn)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(jù)結(jié)合能的化學(xué)位移獲得有關(guān)元素化學(xué)價態(tài)的信息。能給出表面層原子價態(tài)與周圍元素鍵合等信息；入射束為X 射線光子束，因此可進(jìn)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(jìn)行縱向的元素分布分析（可參見后面的案例），且靈敏度遠(yuǎn)比能譜（EDS）高。XPS 在 PCB 的分析方面主要用于焊盤鍍層質(zhì)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(zhì)與參比物質(zhì)之間的功率差與溫度（或時間）關(guān)系的一種方法。DSC 在試樣和參比物容器下裝有兩組補(bǔ)償加熱絲，當(dāng)試樣在加熱過程中由于熱效應(yīng)與參比物之間出現(xiàn)溫差?Δ?T 時，可通過差熱放大電路和差動熱量補(bǔ)償放大器，使流入補(bǔ)償電熱絲的電流發(fā)生變化，而使兩邊熱量平衡，溫差?Δ?T 消失，并記錄試樣和參比物下兩只電熱補(bǔ)償?shù)臒峁β手铍S溫度（或時間）的變化關(guān)系，根據(jù)這種變化關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。DSC 的應(yīng)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（例如圖 2）、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，這兩個參數(shù)決定著 PCB 在后續(xù)工藝過程中的可靠性。

熱機(jī)械分析儀 （TMA）：熱機(jī)械分析技術(shù)（Thermal Mechanical Analysis）用于程序控溫下，測量固體、液體和凝膠在熱或機(jī)械力作用下的形變性能，常用的負(fù)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(dá)對試樣施加載荷，當(dāng)試樣發(fā)生形變時，差動變壓器檢測到此變化，并連同溫度、應(yīng)力和應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可得到物質(zhì)在可忽略負(fù)荷下形變與溫度（或時間）的關(guān)系。根據(jù)形變與溫度（或時間）的關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。TMA 的應(yīng)用廣泛，在 PCB 的分析方面主要用于PCB 最關(guān)鍵的兩個參數(shù)：測量其線性膨脹系數(shù)和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。膨脹系數(shù)過大的基材的 PCB 在焊接組裝后常常會導(dǎo)致金屬化孔的斷裂失效。

由于 PCB 高密度的發(fā)展趨勢以及無鉛與無鹵的環(huán)保要求，越來越多的 PCB出現(xiàn)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(shù)在實際案例中的應(yīng)用。PCB 失效機(jī)理與原因的獲得將有利于將來對 PCB 的質(zhì)量控制，從而避免類似問題的再度發(fā)生。

編輯：黃飛