PCB失效分析技术 pcb失效分析是做什么的

PCB成为电子信息产品最重要且重要的部分，其品质的好坏和可靠性水平决定了整个机械设备的品质和可靠性。但是，由于成本和技术的原因，在PCB生产和应用中发生了很多失效问题。

对于这样的失效问题，我们使用一些常用的失效分析技术PCB来总结和参考本文的十大失效分析技术，以便在制造时质量和可靠性水平得到一定的保证。

1.外观检查

外观检查是指通过目视或利用立体显微镜、金相显微镜、甚至放大镜等简单的仪器来检查PCB的外观，寻找与已失效部位相关的物证，主要作用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、电路布线及失效的规则性，例如批次、个别、是否集中在经常有的区域等。另外，很多PCB的失效在PCBA组装后被发现，是否是组装过程，以及过程所因材料的影响而失效，也需要仔细调查失效区域的特征。

2.X射线透视检查

对于不能通过外观检查的部位和PCB的贯通孔内部和其他内部缺陷，只能使用X射线透视系统进行检查。X射线透视系统使用不同材料厚度或不同材料密度的X射线吸湿或透过率的不同原理成像。该技术更多地用于PCBA焊接点内部的缺陷、贯通孔内部的缺陷、以及高密度封装的BGA或CSP设备的缺陷焊接点的位置。目前工业用X射线透视装置的分辨率可以达到1微米以下，正在从二维向三维成像装置转换，甚至连5维（5D）装置也被用于封装检查，但是这种5D的X射线透视系统非常珍贵，在工业界实际应用较少。

3.切片分析

切片分析是通过采样、插入、切片、研磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB剖面结构的过程。通过切片分析，得到了PCB（贯通孔、镀层等）反映品质的精细结构丰富的信息，为下一个品质改善提供了良好的依据。但是，该方法是破坏性的，一旦进行切片，样品必然被破坏。同时，该方法取样要求高，采样时间长，需要培训的技术人员完成。详细的切片作业步骤是IPC的标准IPC？TM可以参照6502.1.1和IPC－MS－810中规定的流程来进行。

4.扫描声显微镜

目前用于电子封装或组装分析的主要是C模式的超声波扫描声学显微镜，利用高频超声波在材料不连续界面处反射产生的振幅和位相极性变化进行成像，扫描方法沿着Z轴进行X？扫描Y面的信息。因此，扫描声学显微镜可以用于检测PCB和PCBA内部的各种缺陷，包括裂纹、层状、夹杂物和空腔等。如果扫描声的频率宽度足够，则也可以直接检测焊接点的内部缺陷。典型的扫描声学图像以红色警告色示出缺陷的存在，并且由于在SMT过程中使用大量塑料封装部件，所以在从铅转换为无铅过程的过程中发生大量湿润回流灵敏度问题，即吸湿塑料密封件在更高的无铅工艺温度下回流时会发生内部或基板的分层破裂现象。在无铅过程的高温下，通常的PCB也经常出现爆板现象。此时，扫描声学显微镜揭示了多层高密度PCB无损伤探针的特殊优点。一般明显的爆板只需目测外观就能检测出来。

5.显微红外分析

显微红外）分析是一种组合红外光谱和显微镜的分析方法，不同的材料（主要是有机物）可以利用不同的吸收原理对红外光谱进行分析，并结合显微镜将可见光和红外光设置为同一光路，在可见光的视野下可以分析微量的有机污染物。如果没有显微镜的结合，通常只能分析样品量大的红外光谱。在电子过程中，微量污染常常引起PCB焊盘和引线引脚的焊接性不良，但是如果没有显微镜组的红外光谱，则难以解决工艺问题。显微红外分析的主要用途是分析被焊接面或焊接点表面的有机污染物，分析腐蚀或焊接性不良的原因。

6.扫描电子显微镜分析

扫描电子显微镜SEM使用阴极发射电子束进行阳极加速，用磁透镜聚焦后，形成直径数十～数千埃长（A）的电子束流波束，在扫描线圈的偏转作用下电子束使样品表面以一定时间和空间顺序点单位扫描运动当这种高能电子束冲击样品表面时，许多信息被激发，并且通过收集放大从显示器获得各种对应的图形。激发的二次电子在样品表面5？由于在10nm范围内产生，所以二次电子可以更好地反映样品表面的形态，因此最常用于形态观察。激发的后向散射电子在样品表面100？由于在1000nm的范围内产生并随着物质原子序数的不同而放出不同特征的后向散射电子，所以后向散射电子图像具有形态特征和原子序数判别的能力，因此能够反映背散射电子像分量的分布。目前扫描电子显微镜的功能已经很强，任何微观结构和表面特性都可以扩大到数十万倍来进行观察和分析。

在PCB或焊接点的失效分析中，SEM主要用于分析失效机制，具体用于观察焊盘表面的形态结构、焊接点金相组织、测定金属间化物、焊接性电镀分析、及须须分析测量等。与光学显微镜不同，扫描电镜形成电子图像，因此只有黑白两种颜色，扫描电镜的样品需要导电性，而非导体和部分半导体需要金或碳处理，否则电荷聚集在样品表面会影响样品的观察。另外，扫描电镜图像的景深比光学显微镜大得多，金相结构，显微断口和锡须等不均匀样品的重要分析方法。

7.X射线光谱分析

上述扫描电镜一般具备X射线能谱仪。当高能电子束碰撞到样品表面时，表面物质的原子中的内层电子被轰击并释放，当外层电子转移到低能量水平时，特征X射线被激发，并且由于元素的原子力等级差不同，特征X射线被释放可以分析样品释放的特征X射线作为化学成分。同时，根据检测X射线的信号是特征波长或特征能量，将对应的设备分别提高波谱分散谱仪（简称波谱仪）、（简称波谱仪）、波谱仪、能量分散谱仪、（简称能谱仪）、EDS、波谱仪的分辨率比能谱仪，加快能谱仪的分析速度比波谱仪。由于能谱仪的速度快、成本低，所以一般的扫描电镜构成是能谱仪。

随着电子束扫描方法的不同，能谱仪可以进行表面的点分析、线分析、面分析，并且可以获得元素的不同分布的信息。点分析得到点的全部要素。线分析对指定的一条线进行一种元素分析，多次扫描以获得所有元素的线分布。面分析分析分析指定面内的所有元素，测得的元素含量是测量面范围的平均值。

在PCB的分析中，能谱仪主要用于垫表面的成分分析、焊接性不良垫和引线引脚表面污染物的元素分析。能谱仪的定量分析的精度有限，一般难以检测不满0.1%的含量。如果将能量谱与SEM组合使用，则可以同时获得表面形态和成分信息，这是它们的应用的广泛原因。

8.光电子能谱XPS分析

当样品被X射线照射时，表面原子的内壳层电子从原子核的束缚中释放固体表面形成电子，测量其动能Ex，可以得到原子的内壳层电子的结合能Eb，Eb根据元素和电子壳层而不同，是原子的指纹标记参数形成谱线是光电子能谱XPS。XPS可以用于样品表面的浅表面（几个纳米级）元素的定性和定量分析。此外，还可以基于结合能化学位移获得关于元素的化学价态的信息。可以提供表面层的价态和周围元素键合等信息。由于入射光束是X射线光子束，所以可以进行绝缘样品分析，不会损伤被分析样品的高速多元素分析。此外，也可以在层叠是氩离子剥离的情况下，分析纵向的元素分布（参照后述的例子），灵敏度比能谱（EDS）高得多。在XPSPCB的分析中，为了确定焊接性不良的深层原因，主要用于镀膜层的质量分析、污染物分析、氧化度分析。

9.热分析差示扫描量热法（Differential Scanning Calorim-etry）

在程序温度控制下，测量物质和参考物质之间输入的功率差和温度（或时间）的关系的方法。DSC在样品和参数容器下安装两组补偿加热灯丝，样品在加热过程中产生热效应和参数之间产生温度差时Delta。在T的情况下，通过差热放大电路和差动热补偿放大器，能够使流入补偿加热器的电流变化。

平衡两侧的热量，温差Delta；T消失，记录样品和参数下两个电热补偿的热功率差的温度（或时间）变化关系，并且可以基于这种变化关系来研究分析材料的物理化学和热力学性质。DSC的应用广泛，但是在PCB的分析中，主要用于PCB中使用的各种高分子材料的硬化度、玻璃状态转化温度的测量，这两个参数决定后续过程中PCB的可靠性。

10．热机械分析仪（TMA）

热机械分析技术（Thermal Mechanical Analysis）在程序温度控制下，用于测定固体、液体、凝胶的热或机械力作用下的变形性能，一般采用压缩、针入、拉伸、弯曲等负荷方式。测试探头由固定在其上的悬臂和线圈弹簧支承，由马达对样品施加负荷，在样品发生畸变时差动变压器检测该变化，与温度、应力、畸变等数据一起处理，则可以忽略负荷而与温度（或时间）产生关系。基于变形和温度（或时间）的关系，可以研究分析材料的物理化学和热力学性质。TMA的应用广泛，在PCB的分析方面主要用于PCB最重要的两个参数：其线性膨胀系数和玻璃状态转化温度。膨胀系数过大的基材PCB在焊接组装后常常导致金属化孔的断裂失效。

PCB由于高密度的发展趋势和无铅和无卤素的环境保护要求，诸如湿不良、爆板、层状化、CAF等各种失效问题越来越多。介绍这些分析技术在实例中的应用。PCB失效机制和原因的获得有利于将来PCB的品质控制，避免类似问题的再次发生。