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PCB失效分析技术概述
发布时间:2017-3-3 13:11:57      点击次数:549

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。

那么就要用到一些常用的失效分析技术。介于PCB的结构特点与失效的主要模式,本文将重点介绍九项用于PCB失效分析的技术,包括:外观检查、X射线透视检查、金相切片分析、热分析、光电子能谱分析、显微红外分析、扫描电镜分析以及X射线能谱分析等。其中金相切片分析是属于破坏性的分析技术,一旦使用这种技术,样品就破坏了,且无法恢复;另外由于制样的要求,可能扫描电镜分析和X射线能谱分析有时也需要部分破坏样品。此外,在分析的过程中可能还会由于失效定位和失效原因的验证的需要,可能需要使用如热应力、电性能、可焊性测试与尺寸测量等方面的试验技术,这里就不专门介绍了。

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、是批次的还是个别的,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。

4、扫描声学显微镜分析。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。


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