PCB失效分析技术及部分案例
时间：2020-10-26 19:15:32
作为企业各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，PCB已经发展成为中国电子商务信息管理产品的最为一个重要而关键的部分，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。但是同时由于经济成本控制以及科学技术的原因，PCB在生产和应用教学过程中不断出现了大量的失效问题。
对于这种故障问题，我们需要使用一些常用的故障分析技术来保证PCB在制造中的质量和可靠性水平。 本文总结了十种失效分析技术，供参考。
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
对于某些部件不能穿过PCB等内部缺陷的孔进行检查的外观和内部，但是使用该系统来检查X射线透视。 X射线系统是采用不同的厚度或不同的密度或X射线透射率的不同的吸收原理的材料的材料进行成像。用于检查在焊料的内部的通孔缺陷和BGA或CSP器件的高密度封装的定位更焊料PCBA内部缺陷，缺陷的技术。当前工业用X射线装置能够达到微米的分辨率，并从二维变换到三维成像装置中，或甚至具有用于包的检查装置的五维（5D），但这种X- 5D射线系统是非常昂贵的，在行业内很少有实际应用。
3.切片分析
切片数据分析问题就是我们通过研究取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列重要手段和步骤获得PCB横截面结构的过程。通过网络切片能力分析学生可以自己得到充分反映PCB（通孔、镀层等）质量的微观经济结构的丰富相关信息，为下一步的质量管理改进发展提供一个很好的依据。但是该方法是破坏性的，一旦公司进行了切片，样品就必然遭到严重破坏；同时该方法制样要求高，制样耗时也较长，需要学习训练有素的技术工作人员来完成。要求更加详细的切片作业设计过程，可以作为参考IPC的标准IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810规定的流程方面进行。
4.扫描声学显微镜
电子封装组件目前在分析中使用或主要为C模式超声扫描声学显微镜，其使用高频超声反射振幅和相变材料和在界面上的不连续的极性成像产生的，沿着该扫描是扫描信息在Z- XY平面的轴。因此，扫描声学显微镜可以被用于检测各种在组件，材料缺陷，并且PCBA和PCB，包括裂纹，分层，夹杂物和空隙等的内部。如果扫描声学足够的频率宽度，它也可以检测内部缺陷直接焊点。典型的图像扫描在红色声学警告指示缺陷的存在，由于大量的塑料封装中使用的部件的SMT工艺，用回流处理灵敏度引线产生大量水分的被转换成无铅工艺，具有内部剥离或基板即塑料吸收设备将在较高的温度的无铅工艺回流开裂，普通的PCB板断裂现象会经常发生在高温无铅工艺。此时，在扫描声学显微镜其中突出在非破坏性测试的高密度多层印刷电路板方面的特别的优点。一般明显突发板可以通过视觉外观被简单地检测。
5.显微红外分析
显微红外数据分析结果就是将红外光谱与显微镜技术结合生活在一起的分析研究方法，它利用各种不同学习材料（主要是通过有机物）对红外光谱具有不同企业吸收的原理，分析以及材料的化合物成分，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，就可以开始寻找要分析微量的有机污染物。如果一个没有显微镜的结合，通常采用红外光谱只能根据分析处理样品量较多的样品。而电子产品工艺中很多学生情况是微量污染环境就可以直接导致PCB焊盘或引线脚的可焊性不良，可以自己想象，没有显微镜配套的红外光谱是很难得到解决传统工艺设计问题的。显微红外分析的主要功能用途就是发展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或焊点的失效数据分析研究方面，SEM主要用来作失效机理的分析，具体说来我们就是一个用来进行观察焊盘表面的形貌结构、焊点金相组织、测量系统金属间化物、可焊性镀层技术分析问题以及做锡须分析通过测量等。与光学显微镜具有不同，扫描电镜所成的是电子像，因此企业只有中国黑白两色，并且随着扫描电镜的试样质量要求提高导电，对非导体和部分国家半导体公司需要喷金或碳处理，否则电荷聚集在样品材料表面就影响环境样品的观察。此外，扫描电镜图像景深远远不能大于光学显微镜，是针对金相结构、显微断口以及锡须等不平整样品的重要因素分析教学方法。
7.X射线能谱分析
上面我们所说的扫描电镜技术一般都配有X射线能谱仪。当高能的电子束撞击样品材料表面时，表面活性物质的原子中的内层以及电子被轰击逸出，外层使用电子向低能级跃迁时就会激发出一个特征X射线，不同文化元素的原子能级差时间不同而发出的特征X射线就不同，因此，可以将样品信息发出的特征X射线发展作为一种化学组成成分研究分析。同时企业按照相关检测X射线的信号为主要特征选择波长或特征具有能量管理又将自己相应的仪器分别叫波谱数据分散谱仪（简称波谱仪，WDS）和能量资源分散谱仪（简称能谱仪，EDS），波谱仪的分辨率比能谱仪高，能谱仪的分析中国速度比波谱仪快。由于能谱仪的速度快且成本低，所以对于一般的扫描电镜系统配置的都是能谱仪。
随着电子束的扫描工作方式以及不同，能谱仪可以通过进行加工表面的点分析、线分析和面分析，可得到元素具有不同地区分布的信息。点分析能力得到提高一点的所有这些元素；线分析我们每次对指定的一条线做一种文化元素分析，多次扫描技术得到解决所有元素的线分布；面分析对一个国家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。
对于PCB分析，能谱仪主要用于焊盘表面的成分分析和焊盘和铅脚表面的污染物元素分析，焊接性差。 能谱仪定量分析精度有限，含量在0.1%以下不易检测。 能谱结合SEM可以获得表面形貌和成分信息，这也是它们被广泛应用的原因。
光电子发射能谱(xps)分析
由X射线照射的样品中，从原子核的束缚原子的内层电子的表面逸出的固体形成电子的表面上，测得的动能实施例，结合能获得的Eb，的Eb由于不同的原子的内壳层电子和不同的电子壳而变化，这是一个“指纹”标识参数原子，即线形成光电子能谱（XPS）的元素。 XPS可以通过表面（几个纳米）元素被用于样品表面的定性和定量分析。此外，也可根据的化学位移的结合能的化合价来获得关于元素的信息。它也可以是在氩离子释放的情况下;表面层可以给上粘结到周围的元素和原子的化合价信息等;所述X射线束是光子束，从而绝缘样品的分析可以被执行，而不会损坏多元素分析样品快速多层纵向元素分布分析（见下文实施例），并且比（EDS）高光谱灵敏度。在XPS分析来分析主要PCB垫的涂层质量，和氧化污染物的程度的分析来分析，以确定根本原因可焊性差。
9.热分析差示扫描量热法（Differential Scanning Calorim-etry）
在程序中的温度，测量输入到基准物质和物质之间的关系的功率和温度差（或时间）的方法。补偿DSC配备在样品和参比容器2个的加热丝，当样本之间的差值ΔT的发生是由于在加热过程中的热效应和参考材料，热可以被补偿差动放大电路和差分放大器通过热，流入补偿导线加热电流变化。
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）的变化发展关系，根据学生这种环境变化影响关系，可研究现状分析不同材料的物理学习化学及热力学性能。 DSC的应用技术广泛，但在PCB的分析能力方面我们主要可以用于控制测量PCB上所用的各种功能高分子材料的固化程度、玻璃态转化工作温度，这两个参数决定着PCB在后续处理工艺生产过程中的可靠性。
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高密度的发展变化趋势研究以及无铅与无卤的环保工作要求，越来越多的PCB出现了润湿不良、爆板、分层、CAF等等进行各种失效问题。介绍我们这些数据分析信息技术在实际教学案例中的应用。PCB失效机理与原因的获得将有利于学生将来对PCB的质量管理控制，从而可以避免一些类似社会问题的再度发生。
部分案例：
一、板电后图电前擦花
1、断口处的铜表面进行光滑、没有被蚀痕迹。
如图2所示，在基座OPEN有轻或重的损伤标记（白色）。
3、形状多为条状或块状。
4、附近线条可能有渗漏镀层或线条不良的现象。
如图5所示，从切片观察时，图介电层可以包裹在铜层和基板。
二、铜面附着干膜碎
1、断口处沙滩位与正常进行线路设计一致或相差一个很小
如图2所示，断裂面光滑铜，不点亮
三.建议。 铜面胶或胶状胶的防镀
如图1所示，断裂表面是不平坦的铜，有光泽;有时锯齿
2、通常可以伴随发生短路或残铜出现
四、曝光不良
1.断口呈尖形,没有进行沙滩位,除断口附近幼线外板面出现其它重要位置信息没有幼线
2.断裂用坏外观沿着尖的或圆的，没有沙滩位置，线附近
3.断口呈尖形,没有进行沙滩位,伴随社会曝光垃圾问题造成的残铜或短路情况出现
4. 从切片上，电层将伸出一个钩子，长度和长度相同
五、擦花干膜
1.大面积，常伴有短路
2、形状进行不规则、但有一个方向性
六、锡面擦花
1.无明显的断裂海滩位，产生较重的刮痕;海滩时更少的位，或者不被蚀刻通过。
２．从切片上看，被蚀处较为比较圆滑，有平缓的坡度,沙滩位较大。
七、溶锡或电锡不良
八、显影不净
1，不常见的，更大的面积通常
2. 裂缝的边缘和附近的痕迹被照亮,
九、图电后擦花
1、图电后的擦花，一般擦花处的基材和铜面都较为简单粗糙，基材表面上会有铜粒，擦花的线路处会有一个明显被擦花的痕迹，线路边的人会有学生顺着擦花方向的突出。
如图2所示，从切片观察时，在所述刮擦线被压在基板上，显著弯曲的方向。
十、甩膜
干膜余胶导致的线路进行不良
1.干膜残胶造成接线不良，基板位置不会有残铜。
如图2所示，通常非常差形成的底线，将暴露的铜的颜色，颜色不绕直线相同。
3、从切片上看，线路进行不良处板电层和底铜完整，但镀不上二铜，周围的图电层有一个可以包裹的动作。
十一、渗镀
1、从平面上看,渗镀处会发亮,渗镀的地方发展会有这样一个比较圆滑的坡度,没有被蚀的痕迹 。
2、从切片上看，渗镀处有图电层。
十二、蚀板不净（夹菲林）
1、蚀板不净(夹菲林)不会发亮,底部很平,没有坡度,呈阶梯状，会有一些被蚀的痕迹.?
2. 从切片上看，蚀刻板的脏部分没有电气层。
十三、针孔
1、针孔一般发生在线路或孔环的边缘，不会出现在线路中间。
2、针孔的切片是一个企业非常具有平滑的圆弧，有图电层。
十四、绿油钉床压伤
1，指甲破碎的绿色油状物定位的一个床中，压碎的线通常呈现圆形凹部，所述底部突起将延伸。
2、切片进行图形呈弓状，图电层被挤压向板电层。
十五、线路缩腰
1、特征：
一般出现在密集线，被形托架，在边缘线收腰光泽。
2、原因：
线收腰的外观与生产板的结构型式有关，生产板的线多孔少。在干膜显影时，显影液不易排出，油性物质容易附着在线条的边缘，造成显影脏。无花果电蚀刻后有一个收缩腰部。
3、解决方法：
展开时，排板的方向与密集线的方向平行，并将密集线的铺设。
