技術(shù)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(hào)傳輸?shù)臉屑~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。
 
隨著電子信息產(chǎn)品的小型化以及無(wú)鉛無(wú)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(shù)的原因，PCB在生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了大量的失效問(wèn)題，并因此引發(fā)了許多的質(zhì)量糾紛。為了弄清楚失效的原因以便找到解決問(wèn)題的辦法和分清責(zé)任，必須對(duì)所發(fā)生的失效案例進(jìn)行失效分析。


要獲得PCB失效或不良的準(zhǔn)確原因或者機(jī)理，必須遵守基本的原則及分析流程，否則可能會(huì)漏掉寶貴的失效信息，造成分析不能繼續(xù)或可能得到錯(cuò)誤的結(jié)論。一般的基本流程是，首先必須基于失效現(xiàn)象，通過(guò)信息收集、功能測(cè)試、電性能測(cè)試以及簡(jiǎn)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(duì)于簡(jiǎn)單的PCB或PCBA，失效的部位很容易確定，但是，對(duì)于較為復(fù)雜的BGA或MCM封裝的器件或基板，缺陷不易通過(guò)顯微鏡觀察，一時(shí)不易確定，這個(gè)時(shí)候就需要借助其它手段來(lái)確定。

接著就要進(jìn)行失效機(jī)理的分析，即使用各種物理、化學(xué)手段分析導(dǎo)致PCB失效或缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，如虛焊、污染、機(jī)械損傷、潮濕應(yīng)力、介質(zhì)腐蝕、疲勞損傷、CAF或離子遷移、應(yīng)力過(guò)載等等。

再就是失效原因分析，即基于失效機(jī)理與制程過(guò)程分析，尋找導(dǎo)致失效機(jī)理發(fā)生的原因，必要時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，一般盡應(yīng)該可能的進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可以找到準(zhǔn)確的誘導(dǎo)失效的原因。

這就為下一步的改進(jìn)提供了有的放矢的依據(jù)。最后，就是根據(jù)分析過(guò)程所獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)、事實(shí)與結(jié)論，編制失效分析報(bào)告，要求報(bào)告的事實(shí)清楚、邏輯推理嚴(yán)密、條理性強(qiáng)，切忌憑空想象。


分析的過(guò)程中，注意使用分析方法應(yīng)該從簡(jiǎn)單到復(fù)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(guān)鍵信息、避免引入新的人為的失效機(jī)理。


就好比交通事故，如果事故的一方破壞或逃離了現(xiàn)場(chǎng)，在高明的警察也很難作出準(zhǔn)確責(zé)任認(rèn)定，這時(shí)的交通法規(guī)一般就要求逃離現(xiàn)場(chǎng)者或破壞現(xiàn)場(chǎng)的一方承擔(dān)全部責(zé)任。

PCB或PCBA的失效分析也一樣，如果使用電烙鐵對(duì)失效的焊點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)焊處理或大剪刀進(jìn)行強(qiáng)力剪裁PCB，那么再分析就無(wú)從下手了，失效的現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)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(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，真正的失效原因就無(wú)法獲得了。

 

光學(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡主要用于PCB的外觀檢查，尋找失效的部位和相關(guān)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(gè)別，是不是總是集中在某個(gè)區(qū)域等等。


X射線 (X-ray)對(duì)于某些不能通過(guò)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(lái)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(duì)X光的吸濕或透過(guò)率的不同原理來(lái)成像。該技術(shù)更多地用來(lái)檢查PCBA焊點(diǎn)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(diǎn)的定位。


切片分析切片分析就是通過(guò)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(guò)程。通過(guò)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。


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(lái)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(lái)檢測(cè)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(cè)到焊點(diǎn)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(wú)鉛工藝的過(guò)程中，大量的潮濕回流敏感問(wèn)題產(chǎn)生，即吸濕的塑封器件會(huì)在更高的無(wú)鉛工藝溫度下回流時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部或基板分層開(kāi)裂現(xiàn)象，在無(wú)鉛工藝的高溫下普通的PCB也會(huì)常常出現(xiàn)爆板現(xiàn)象。

此時(shí)，掃描聲學(xué)顯微鏡就凸顯其在多層高密度PCB無(wú)損探傷方面的特別優(yōu)勢(shì)。而一般的明顯的爆板則只需通過(guò)目測(cè)外觀就能檢測(cè)出來(lái)。


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(duì)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(jiàn)光與紅外光同光路，只要在可見(jiàn)的視場(chǎng)下，就可以尋找要分析微量的有機(jī)污染物。


如果沒(méi)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(pán)或引線腳的可焊性不良，可以想象，沒(méi)有顯微鏡配套的紅外光譜是很難解決工藝問(wèn)題的。顯微紅外分析的主要用途就是分析被焊面或焊點(diǎn)表面的有機(jī)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(jìn)行失效分析的一種最有用的大型電子顯微成像系統(tǒng)，最常用作形貌觀察，現(xiàn)時(shí)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(wàn)倍進(jìn)行觀察與分析。


在PCB或焊點(diǎn)的失效分析方面，SEM主要用來(lái)作失效機(jī)理的分析，具體說(shuō)來(lái)就是用來(lái)觀察焊盤(pán)表面的形貌結(jié)構(gòu)、焊點(diǎn)金相組織、測(cè)量金屬間化物、可焊性鍍層分析以及做錫須分析測(cè)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(duì)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(duì)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。



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(cè)量輸入到物質(zhì)與參比物質(zhì)之間的功率差與溫度(或時(shí)間)關(guān)系的一種方法。是研究熱量隨溫度變化關(guān)系的分析方法，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(cè)量PCB上所用的各種高分子材料的固化程度、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，這兩個(gè)參數(shù)決定著PCB在后續(xù)工藝過(guò)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(cè)量固體、液體和凝膠在熱或機(jī)械力作用下的形變性能。是研究熱與機(jī)械性能關(guān)系的方法，根據(jù)形變與溫度(或時(shí)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(gè)參數(shù)：測(cè)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(guò)大的基材的PCB在焊接組裝后常常會(huì)導(dǎo)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(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度(或時(shí)間)的變化關(guān)系的一種方法。TGA通過(guò)精密的電子天平可監(jiān)測(cè)物質(zhì)在程控變溫過(guò)程中發(fā)生的細(xì)微的質(zhì)量變化。

 

根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量隨溫度(或時(shí)間)的變化關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。在PCB的分析方面，主要用于測(cè)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(jīng)過(guò)焊接過(guò)程的高溫時(shí)將會(huì)發(fā)生爆板或分層失效現(xiàn)象。