实例讲解印刷电路板（PCB）失效分析流程及方法！

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PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的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。随着电子信息产品的小型化以及无铅无卤化的环保要求，PCB也向高密度高Tg以及环保的方向发展。

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，并因此引发了许多的质量纠纷。为了弄清楚失效的原因以便找到解决问题的办法和分清责任，必须对所发生的失效案例进行失效分析。失效分析的基本程序要获得PCB失效或不良的准确原因或者机理，必须遵守基本的原则及分析流程，否则可能会漏掉宝贵的失效信息，造成分析不能继续或可能得到错误的结论。
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一般的基本流程是，首先必须基于失效现象，通过信息收集、功能测试、电性能测试以及简单的外观检查，确定失效部位与失效模式，即失效定位或故障定位。对于简单的PCB或PCBA，失效的部位很容易确定，但是，对于较为复杂的BGA或MCM封装的器件或基板，缺陷不易通过显微镜观察，一时不易确定，这个时候就需要借助其它手段来确定。接着就要进行失效机理的分析，即使用各种物理、化学手段分析导致PCB失效或缺陷产生的机理，如虚焊、污染、机械损伤、潮湿应力、介质腐蚀、疲劳损伤、CAF或离子迁移、应力过载等等。
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再就是失效原因分析，即基于失效机理与制程过程分析，寻找导致失效机理发生的原因，必要时进行试验验证，一般尽应该可能的进行试验验证，通过试验验证可以找到准确的诱导失效的原因。这就为下一步的改进提供了有的放矢的依据。最后，就是根据分析过程所获得试验数据、事实与结论，编制失效分析报告，要求报告的事实清楚、逻辑推理严密、条理性强，切忌凭空想象。分析的过程中，注意使用分析方法应该从简单到复杂、从外到里、从不破坏样品再到使用破坏的基本原则。只有这样，才可以避免丢失关键信息、避免引入新的人为的失效机理。就好比交通事故，如果事故的一方破坏或逃离了现场，在高明的警察也很难作出准确责任认定，这时的交通法规一般就要求逃离现场者或破坏现场的一方承担全部责任。PCB或PCBA的失效分析也一样，如果使用电烙铁对失效的焊点进行补焊处理或大剪刀进行强力剪裁PCB，那么再分析就无从下手了，失效的现场已经破坏了。


特别是在失效样品少的情况下，一旦破坏或损伤了失效现场的环境，真正的失效原因就无法获得了。国高材分析测试中心可依据GB、ISO、ASTM等测试标准，通过显微红外测试仪、扫描电镜、气质联用仪等设备，获取试样的断面形貌、断面含量等数据。通过对试验失效数据进行分析，确认失效模式、分析失效机理，明确失效原因，最终给出预防及材料改进解决方案，可用于电子电器、汽车、家电、玩具、食品及其他行业。服务流程了解客户真实需求——测试样品评估——设计方案——分析测试——出具报告失效分析技术光学显微镜光学显微镜主要用于PCB的外观检查，寻找失效的部位和相关的物证，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。X射线 （X-ray）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。


  T) x: l6 n7 s2 {0 n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。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。扫描声学显微镜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。

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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。

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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。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。
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3 V+ F( Q5 I2 `- U! Q( j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。
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扫描电子显微镜分析（SEM）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，最常用作形貌观察，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。图 压延铜箔的毛面在工作距离4mm(左)和5mm(右)的图像在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。
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5 t8 k: b$ Y) s7 b- b  [% X, _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。热分析差示扫描量热仪(DSC)差示扫描量热法(Differential Scanning Calorim- etry)是在程序控温下，测量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度(或时间)关系的一种方法。是研究热量随温度变化关系的分析方法，根据这种变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。DSC的应用广泛，但在PCB的分析方面主要用于测量PCB上所用的各种高分子材料的固化程度、玻璃态转化温度，这两个参数决定着PCB在后续工艺过程中的可靠性。


图 DSC测试PCB的TGDSC测试PCB的Tg需遵从IPC-TM-650 2.4.25D标准测试方法，如上图所示，PCB经历了两次升温测试。在第一次升温过程中，由于PCB存在热历史，其玻璃化转变伴随有焓松弛现象，Tg为138.57℃；在第二次升温过程中，由于热历史在第一次升温时被消除，DSC曲线呈现出无焓松弛的玻璃化转变，Tg为139.13℃。由此可知，两次升温得到的Tg几乎是一致的，从而可以判断在测试温度范围内，PCB没有发生任何的后固化反应，说明该PCB是完全固化的产品。另一方面，对于第二次升温如果出现Tg增大的情况，其第一次升温过程则会出现后固化反应的放热峰，表明PCB为未完全固化产品，从而可以计算得到固化因子（第二次升温的Tg减去第一次升温的Tg）。

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: p2 B6 o* h4 e+ S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。是研究热与机械性能关系的方法，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。
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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。图 TMA测试PCB的TG和CTR根据IPC-TM-650 2.4.24C标准测试方法，采用TMA表征PCB的Tg，如上图所示，PCB同样经历了两次升温过程。在第一次升温过程中，PCB由于存在热历史而在玻璃化转变过程中伴随有往上凸起的峰，从而无法得到精准的Tg；
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因此，需要第二次升温，可以清晰地分析出Tg为138.51℃。与此同时，在玻璃化转变前后，PCB的线性膨胀系数（CTE）同样可以计算分析得到，PCB玻璃化转变前的CTE（AB段）为58.35 ppm/K，玻璃化转变后的CTE（CD段）为301.62 ppm/K。热重分析仪 (TGA)热重法(Thermogravimetry Analysis)是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系的一种方法。TGA通过精密的电子天平可监测物质在程控变温过程中发生的细微的质量变化。根据物质质量随温度(或时间)的变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。
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在PCB的分析方面，主要用于测量PCB材料的热稳定性或热分解温度，如果基材的热分解温度太低，PCB在经过焊接过程的高温时将会发生爆板或分层失效现象。图 TGA测试PCB的分解反应动力学如上图所示，根据ASTM E1641标准方法用TGA测试分析PCB的分解反应动力学， 评估PCB在实际操作温度或者焊接温度条件下的热稳定性。首先通过四种不同的升温速率测试得到四条热失重曲线，以分解10%的转化率计算得到活化能，从而可以预测PCB在特定温度下的使用寿命。比如，假设1%是PCB失效的临界失重点，那么在实际的焊接浴温度（260℃）条件下PCB不能超过3min，否则PCB分解而失效。
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# p) |% _2 [# R" }" U( ^动态热机械分析仪（DMA）动态热机械分析仪（DMA）是检测样品在动态力作用下储能模量E'、损耗模量E''和损耗因子Tan Delta随温度、时间、力和频率的变化关系。模量反应了材料在外力作用下抵抗形变的能力，Tan Delta是损耗模量和储能模量的比值（E''/E'），反应了材料的粘弹性，Tan Delta越大表明材料的粘性越大、弹性越小，反之材料的弹性越大、粘性越小。当材料经历玻璃化转变时，E'会突变性地减小，对应的E''和Tan Delta会出现峰值。E'的起始点温度、E''和Tan Delta的峰值温度都可以用来表征材料的Tg。如下图所示，在三点弯曲模式下测量PCB的E'和Tan Delta随温度的变化关系。在室温下PCB的E'达到了约21 GPa，随着温度的升高，由于分子链段开始软化、活动能力增强，E'逐渐减小，在玻璃化转变前后出现明显的下降台阶，对应的Tan Delta则出现峰值。

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一般的基本流程是，首先必须基于失效现象，通过信息收集、功能测试、电性能测试以及简单的外观检查，确定失效部位与失效模式，即失效定位或故障定位。对于简单的PCB或PCBA，失效的部位很容易确定，但是，对于较为复杂的BGA或MCM封装的器件或基板，缺陷不易通过显微镜观察，一时不易确定，这个时候就需要借助其它手段来确定。接着就要进行失效机理的分析，即使用各种物理、化学手段分析导致PCB失效或缺陷产生的机理，如虚焊、污染、机械损伤、潮湿应力、介质腐蚀、疲劳损伤、CAF或离子迁移、应力过载等等。

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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。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。

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plug 发表于 2021-6-15 14:29
一般的基本流程是，首先必须基于失效现象，通过信息收集、功能测试、电性能测试以及简单的外观检查，确定失 ...

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