技術文章— PCB上的光電元器件為何總失效？

PCB作為各種元器件的載體與電路信號傳輸的樞紐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。
 
隨著電子信息產品的小型化以及無鉛無鹵化的環(huán)保要求，PCB也向高密度高Tg以及環(huán)保的方向發(fā)展。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，并因此引發(fā)了許多的質量糾紛。為了弄清楚失效的原因以便找到解決問題的辦法和分清責任，必須對所發(fā)生的失效案例進行失效分析。


要獲得PCB失效或不良的準確原因或者機理，必須遵守基本的原則及分析流程，否則可能會漏掉寶貴的失效信息，造成分析不能繼續(xù)或可能得到錯誤的結論。一般的基本流程是，首先必須基于失效現象，通過信息收集、功能測試、電性能測試以及簡單的外觀檢查，確定失效部位與失效模式，即失效定位或故障定位。

對于簡單的PCB或PCBA，失效的部位很容易確定，但是，對于較為復雜的BGA或MCM封裝的器件或基板，缺陷不易通過顯微鏡觀察，一時不易確定，這個時候就需要借助其它手段來確定。

接著就要進行失效機理的分析，即使用各種物理、化學手段分析導致PCB失效或缺陷產生的機理，如虛焊、污染、機械損傷、潮濕應力、介質腐蝕、疲勞損傷、CAF或離子遷移、應力過載等等。

再就是失效原因分析，即基于失效機理與制程過程分析，尋找導致失效機理發(fā)生的原因，必要時進行試驗驗證，一般盡應該可能的進行試驗驗證，通過試驗驗證可以找到準確的誘導失效的原因。

這就為下一步的改進提供了有的放矢的依據。最后，就是根據分析過程所獲得試驗數據、事實與結論，編制失效分析報告，要求報告的事實清楚、邏輯推理嚴密、條理性強，切忌憑空想象。


分析的過程中，注意使用分析方法應該從簡單到復雜、從外到里、從不破壞樣品再到使用破壞的基本原則。只有這樣，才可以避免丟失關鍵信息、避免引入新的人為的失效機理。


就好比交通事故，如果事故的一方破壞或逃離了現場，在高明的警察也很難作出準確責任認定，這時的交通法規(guī)一般就要求逃離現場者或破壞現場的一方承擔全部責任。

PCB或PCBA的失效分析也一樣，如果使用電烙鐵對失效的焊點進行補焊處理或大剪刀進行強力剪裁PCB，那么再分析就無從下手了，失效的現場已經破壞了。特別是在失效樣品少的情況下，一旦破壞或損傷了失效現場的環(huán)境，真正的失效原因就無法獲得了。

 

光學顯微鏡

光學顯微鏡主要用于PCB的外觀檢查，尋找失效的部位和相關的物證，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。


X射線 (X-ray)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。


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。


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(xù)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顯其在多層高密度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。


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。

掃描電子顯微鏡分析(SEM)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，最常用作形貌觀察，現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。



差示掃描量熱儀(DSC)

差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorim- etry)是在程序控溫下，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。是研究熱量隨溫度變化關系的分析方法，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(tài)轉化溫度，這兩個參數決定著PCB在后續(xù)工藝過程中的可靠性。


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。是研究熱與機械性能關系的方法，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(tài)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。

熱重分析儀 (TGA)熱重法(Thermogravimetry Analysis)是在程序控溫下，測量物質的質量隨溫度(或時間)的變化關系的一種方法。TGA通過精密的電子天平可監(jiān)測物質在程控變溫過程中發(fā)生的細微的質量變化。

 

根據物質質量隨溫度(或時間)的變化關系，可研究分析材料的物理化學及熱力學性能。在PCB的分析方面，主要用于測量PCB材料的熱穩(wěn)定性或熱分解溫度，如果基材的熱分解溫度太低，PCB在經過焊接過程的高溫時將會發(fā)生爆板或分層失效現象。