PCB失效分析技术与典型案例.docx
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PCB失效分析技术与典型案例
PCB失效分析技术与典型案例
2009-6-1817:
12:
40资料来源:
PCBcity作者:
罗道军
摘要：
由于PCB高密度的发展趋势以及无铅与无卤的环保要求，越來越聂的PCB出现了润湿不良、爆板、分层、CAF等等各种失效问题。
本文首先介绍针对PCB在使用过程中的这些失效的分析技术，包括扫描电镜与能谱、光电子能谱、切片、热分析以及傅立叶红外光谱分析等。
然后结介PCB的典型的失效分析案例，介绍这些分析技术在实际的案例中的应用。
PCB失效机理与原因的获得将冇利于将來对PCB的质戢控制以避免类似问题的再度发生。
关键词：
印制电路板失效分析分析技术
前言
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魏要而关键的部分，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以及坏保的方向发展。
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最的失效问题，并因此引发了许多的质量纠纷。
为了弄浦斃失效的原因以便找到解决问题的办法和分诸贵任，必须对所发生的失效案例进行失效分析。
本文将讨论和介绍一部分常用的失效分析技术，同时介绍一些典型的案例。
一、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，一旦便用了这两种技术，样站就破坏了无法恢复；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，在分析的过程屮可能还会由于失效定位和失效原因的验证的需要，可能需要使川如热应力、电性能、可焊性测试与尺寸测屋等方面的试验技术，这里就不号门介绍了。
1.1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、金相显微镜其至放人镜等工具检査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1>CBA后才发现，是不是组装工艺过程以及过程所用材料的形响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征。
1.2X射线透视检查
对于某吐不能通过外观检査到的部位以及PCB的通孔内部和氏他内部缺陷，只好使用X射线透视系统來检戏。
X光透视系统就是利用不同材料焊度或是不同材料帝度对X光的吸湿或透过率的不同原理來成像。
该技术更多地用來检査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。
目询的工业X光透视设备的分辨率可以达到丁个微米以下，并正由二维向三维成像的设备转变，甚至已经有五维（5D）的设备用丁封装的检杏，但是这种5D的X光透视系统非常贵垂，很少在-匸业界冇实际的应用。
1.3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-•系列手段和步骤获得PCB横截负结构的过程。
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的信息，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，样品就必然的遭到破坏；同时该方法制样要求高，制样耗时也较长，需要训练有数的技术人员来完成。
要求详细的切片作业过程，可以参考IPC的标准IPC—TM—6502.1.1和IPC-MS-810规定的流程进行。
1.4扫描声学显微镜
目前用于电子封装或纽•装分析的主要是c模式的超声打描声学显微镜，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來成像，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來检测元器件、材料以及PCB与PCBA内部的齐种缺陷，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足以红色的警示色表示缺陷的存在，由于大鼠的塑料封装的元器件使用在SMT工艺中，由冇铅转换成无铅工艺的过程中，大量的潮湿冋流嫩感问题产牛，即吸湿的塑封器件会在更髙的无铅工艺温度下冋流时出现内部或基板分层开裂现彖，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來。
1.5显微红外分析
显微红外分析就是将红外光谱与显微镜结介在起的分析方法，它利用不同材料（主耍是冇机物）对红外光谱不同吸收的原理，分析材料的化介物成分，再结合显微铳町使可见光与红外光同光路，只要在町见的视场F，就町以寻找要分析微量的右机污染物。
如果没有显微镜的结合，通常红外光谱只能分析样品虽:
较多的样品。
而电子工艺中很影情况是微虽污染就叮以导致PCB焊盘或引线脚的可焊性不良，可以想彖，没有显微镜配套的红外光谱是很难解决工艺问题的。
显微红外分析的匸婆用途就是分析被焊血或焊点农面的灯机污染物,分析腐蚀或町焊性不艮的原因。
1.6扫描电子显微镜分析
扫描电子显微镜（SEH）是进行失效分析的-•种最有用的大型电子显微成像系统，其工竹源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貞径为儿十至儿千埃（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，这束髙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〜lOnm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〜lOOOnm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，因此的背散射电子图象具有形貌特征和原子序数判别的能力，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，任何梢细结构或表而特征均可放大到儿十万倍进行观察与分析。
在PCB或焊点的失效分析方面，SEM主耍用來作失效机理的分析,具体说來就是用來观察焊盘表明的形貌结构、焊点金相组织、测量金屈间化物、可焊性镀层分析以及做锡须分析测虽等。
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，否则电荷聚集在样晶表血就影响样品的观察。
此外，扫描电镜图彖景深远远大丁光学显微镜，是金相结构、显微断口以及锡须等不平整的样品的垂要分析方法。
1.7X射线能谱分析
上面所说的扫描电镜-■般祁配右X射线能谱仪。
当髙能的电子束播击样品表血时，表面物质的原了中的内层电/被轰击逸出，外蜃电/向低能级跃迁时就会激发出疔征X射线,不同元素的原了能级差不同而发出的特征X射线就不同，因此，可以将样胡发出的特征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氏或特征能量乂将相应的仪器分别叫波谱分散谱仪（简称波谱仪，WDS）和能議分散谱仪（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H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冇元素；线分析每次对指定的-条线做-种元素分析，多次扫描得到所冇元素的线分布；面分析对一个指定面内的所冇元素分析，测得元素含量是测虽面范围的平均值。
在PCB的分析上，能谱仪卞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索分析。
能谱仪的定量分析的准确度有限，低于0.1%的含虽:
一般不易检出。
能谱与SEH结合使用可以同时获得衣面形貌与成分的信息（如图1）,这是它们应用广泛的原因所在。
EDS
图1柔性线路板悍盘截而开裂处的能谱分析结果（右上角为开裂处的SEH照片）
1.8光电子能谱（XPS）
样品受X射线照射时，表面原子的内壳层电子会脱离原子核的束缚而逸出固体表面形成电子，测量其动能Ex,可得到原子的内壳层电子的结合能Eb,Eb因不同元素和不同电子壳层而异，它是原子的“指纹”标识参数，形成的谱线即为光电子能谱（XPS）。
XPS可以用來进行样品表面浅表面（儿个纳米级）的元索的定性和定虽分析。
此外，述可根据结合能的化学位移，获得有关元素化学价态的信息。
能给出表面层原子价态与周围元索键合等信息;入射束为X射线光子束，因此可进行绝缘样品分析，不损伤被分析样品快速多元素分析：
还町以在制离了剥离的情况下对*层进彳J：
纵向的尤索分布分析（町参见后面的案例），H.灵敏度远比能谱（EDS）馬。
XPS在PCB的分析方而主要用于焊盘镀层质眾的分析、污染物分析和氣化程度的分析，以确定可焊性不良的深层次原因。
1.9热分析
1.9.1差示扫描量热仪（psc）
差示扫描量热法（DifferentialScanningCalorimetry）是在程序控温下，测量输入到物质与参比物质Z间的功率差与温度（或时间）关系的一种方法。
DSC在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物Z间出现温差AT时，可通过差热放人电路和差动热屋补偿放人器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，而使两边热量平衡，温差△T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）的变化关系，并根据这利|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（例如图2）、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。
例2PCB中的环氧树脂的固化情况分析
1.9.2热机械分析仪（TMA）
热机械分析技术（Therma1MechanicalAnalysis）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。
测试探头由固定在典上面的悬臂梁和螺旋弹簧支扌乳通过•马达对试样施加载荷，肖试样发生形变时，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毎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的分析方面主耍川于PCB故关键的两个参数：
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在焊接组装后帘常会导致金属化孔的断裂失效。
1.9.3热重分析仪（TGA）
热亟法（ThermogravimetryAnalysis）是在程序控温卜-,测垃物质的质竜随温度（或时间）的变化关系的种方法。
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。
根据物质质虽随温度（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。
TGA在研究化学反应或物质定性定量分析方面有广泛的应用；在PCB的分析方面,主耍用丁•测MPCB材料的热稳定性或热分解温度，如果棊材的热分解温度太低，PCB在经过焊接过程的髙温时将会发生爆板或分层失效现象。
二、失效分析的基木程序
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決的结论。
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來确定。
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、CAE或离于迁移、应力过载等等。
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。
最辭，就是根据分析过程所获得试验数据、爭实与结论,编制失效分析报告，要求报告的半实沽楚、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木原则。
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。
就好比交通半故，如果爭故的-方破坏或逃离了现场，在高明的警察也很难作出准确赍任认定，这时的交通法规-•般就要求逃离现场者或破坏现场的一方承担金部贵任。
卩CB或PCBA的失效分析也…样，如果使用电烙诙对失效的焊点进行补焊处理或人剪丿J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。
三、典型的失效案例
由于PCB失效的类型和原因众多，且木文篇幅有限，下面将选择儿个典型的案例进行介绍，重点介绍分析技术的运用以及解决问题的基本思路，分析的过程则省略。
3.1热风整平处理（IIASL）的焊盘可悍性不良原因分析
一大批量的无PCB裸板在国外工厂现场做SHT组装的时候发现该PCB的焊盘可焊性不良，在工艺条件未有变动的情况下，PCB板面多处所用焊锡不能润湿焊盘。
经检查，焊锡对元器件润湿良好，金相分析显示工艺参数止常。
于是首先用SEM/EDS检査不上锡的部位,发现11ASL处理（使用锡铜共晶合金）的表面已经全部金属化，生成了Cu6Sn5的金屈间化物（详见图3）；对部分裸板的焊盘切片以后也发现，部分区域已经全部金属化（图4）。
众所周知,没冇焊接组装前的焊盘都已经金属化，显然其町焊性必然严巫下降，在同样工艺条件下，必然导致焊接不良。
这种组装前焊盘的叮焊性镀层就金属化显然与I1ASL的工艺冇关。
需要注意的是,在该案例中没冇发现焊盘被污染或镀层厚度不足的问题。
某些实验室或公司将这类问题的原因归结为镀层过薄显然不准确，HASL处理的板镀层厚度是没有标准要求的。
图3不良润湿区域的SEM照片与能谱分析结果
图4PCB裸板的焊盘截血的典型SI绑照片与能谱分析结果（注：
能谱图上的八u是方便测试而人为所喷的金）
3.2电镀探金焊盘的可焊性不良分析
该批次PCB的焊盘的表面处理为电镀银金，失效样品的现彖农现为：
局部润湿不良，典型的特征见图5。
经过SEM/EDS对悍盘表面的结构或成分分析，没有发现被污染、腐蚀黑傑等界常情况，厚度测试发现银层约5微米，金层约0.05微米，符合技术要求。
为此，我们使用XPS技术，分析各成分元素在焊盘表面的纵向分布（图6）°
图5焊盘局部润湿不良的典型照片
图6PCB空焊盘衣|饲元索含帚随蚀刻时间变化图（离了束蚀刻速度约5nm/min）
结杲发现，劭镀层中的謀己经扩散到金层表面，形成了金属共溶体，导致金层结构的改变，从而导致锡焊时金层难以溶解，焊锡无法进一步地与傑层润湿形成合金层。
这是这次焊盘可焊性不良地根本原因。
線扩散进入金地表层应该与电镀匸艺和后续地处理有密切地关系。
3.3爆板分析
该批样品CEM1类型板材，无铅回流焊后发生爆板失效，概率达3%左右，样品呈长条世，其中有一排较大地电磁继电器（见图7）。
爆板的区域集中在元器件分布少的部位，且该部位和对应的背面的颜色较黄，颜色较其他部位要明显深（图8）。
通过切片分析发现,爆板发生的区域内部PCB基材分层在纸质层。
用近似批次的样板按照进行热应力试验，在260C下由10秒到30秒都没有发现类似的爆板失效，试验后的样品的颜色也没有实际失效的样品深。
同时用热分析方法（TGA和DSC）对爆板区域的材质进行，发现该材质的热分解温度和玻璃态转化温度均符介材质的技术规范。
根据以上分析，可以推断该无铅冋流焊组装工艺的条件超出了该类型PCB的技术耍求，冋流时为了保证吸热的大器件的炸点合格或良好,设置的工艺参数主要是焊接的温度与时间过高过长，导致元器件少或空白的区域局部温度超过该类型板材的技术规范，域终导致产品爆板失效。
该失效与板材本身无关，而与材质的选用、设计以及焊接工艺冇关。
实际上，业界的PCB爆板案例大多与板材选用不当相关，主要是热分解温度过低或水分含量过高造成，而本案例则例外。
K^i
图7爆板样品的局部
图8失效样品背面的局部外观（浅色部分对应的另-而为大器件一电磁继电器）
3.4CAF案例分析
某手机主板在使用不久后即出现故障,表现为6、7和8号按键出现自动拨号的现象。
通过电路分析与诊断，发现该现象是ih于与这儿个按键相邻的另一埋孔相连的一个电阻的信号干扰引起。
监测发现该电毗与这儿个按键的相邻的金屈化埋孔的绝缘电阻已经明显下降
（位遇见图9）。
于是，按照最近距离原则，对该故障点进行切片检查，结果发现了导致绝缘电阻F降的根本原因是相邻的金属化孔Z间发生了导电阳极丝生长现象（图10）,通过SEM/EDS分析也可以得到进一步得证实。
类似现象在无卤化的高密度的线路板中发生得越來越频繁。
由于篇幅所限，CAF牛长得机理在此就不再繁述，可参阅有关专普。
图10漏电区域切片发现的CAF
结论
为了因应环保以及电子产品小型化的发展要求，电子制造的材料和工艺过程都发生了很大的变化。
作为电子信息产品中瑕关键的部件之一，垠近以来早期失效现象频频发生。
为了更好的控制或保证PCB的质量与可靠性，必须从研发、设计、工艺以及质鼠保证技术等多方面着手才能达到H的，其中作为质量保证技术中的关键，失效分析也越来越发挥着它的重耍作用，只冇通过失效分析才能够找到问题的根源，从而不断改进或提升产品的质帛与可靠性。
本文逋过儿个典型的失效案例介绍了PCB的基本的失效分析技术，希望能够在PCB业界的快速发展中起到一点点保绚护航的作川。
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