PCB及PCBA失效分析的流程與方法

PCB失效分析：步驟與技術(shù)

作為各種元器件的載體與電路信號(hào)傳輸?shù)臉屑~PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）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，由于PCB高密度的發(fā)展趨勢(shì)以及無(wú)鉛與無(wú)鹵的環(huán)保要求，越來(lái)越多的PCB出現(xiàn)了潤(rùn)濕不良、爆板、分層、CAF（Conductive Anodic Filamentation，導(dǎo)電性陽(yáng)極絲，指的是PCB內(nèi)部銅離子從陽(yáng)極（高電壓）沿著玻纖絲間的微裂通道，向陰極（低電壓）遷移過(guò)程中發(fā)生的銅與銅鹽的漏電行為） 等等各種失效問(wèn)題。

失效分析的基本程序

1.失效定位

失效分析的首要任務(wù)是基于失效現(xiàn)象，通過(guò)一系列基礎(chǔ)檢測(cè)手段確定失效部位與失效模式。這包括對(duì)PCB進(jìn)行全面的信息收集，如生產(chǎn)批次、使用環(huán)境、歷史故障記錄等；進(jìn)行功能測(cè)試，以驗(yàn)證電路的基本功能是否正常；開展電性能測(cè)試，檢測(cè)電路的電氣參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的外觀檢查，觀察PCB表面是否存在明顯的損傷、污染、腐蝕等異常情況。

對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的PCB或PCBA（裝有電子元器件的印刷電路板），失效部位相對(duì)容易鎖定。但對(duì)于采用復(fù)雜封裝形式如BGA（球柵陣列封裝）或MCM（多芯片模塊封裝）的器件或基板，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，缺陷難以直接通過(guò)顯微鏡觀察，這就需要借助更先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)手段來(lái)輔助確定失效部位。

2.失效機(jī)理分析

在明確失效部位后，需深入探究導(dǎo)致PCB失效或缺陷產(chǎn)生的機(jī)理。金鑒實(shí)驗(yàn)室利用多種物理、化學(xué)分析方法，對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行細(xì)致剖析，確保能夠全面了解失效機(jī)理。常見的失效機(jī)理包括虛焊、污染、機(jī)械損傷、潮濕應(yīng)力、介質(zhì)腐蝕、疲勞損傷、CAF（導(dǎo)電陽(yáng)極絲）或離子遷移、應(yīng)力過(guò)載。通過(guò)深入分析失效機(jī)理，能夠?yàn)楹罄m(xù)的失效原因追溯提供關(guān)鍵線索。

3.失效原因分析

基于失效機(jī)理與制程過(guò)程的關(guān)聯(lián)分析，是尋找失效根源的關(guān)鍵步驟。這要求分析人員充分了解PCB的生產(chǎn)工藝流程，包括原材料采購(gòu)與檢驗(yàn)、基板制造、鉆孔與鍍孔、圖形轉(zhuǎn)移、蝕刻、表面處理、組裝焊接等各個(gè)環(huán)節(jié)。結(jié)合失效機(jī)理，逐一排查各制程環(huán)節(jié)中可能導(dǎo)致失效發(fā)生的因素。在必要時(shí)，還需開展針對(duì)性的試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬實(shí)際生產(chǎn)或使用條件，重現(xiàn)失效現(xiàn)象，以精準(zhǔn)鎖定誘導(dǎo)失效的具體原因。

4.編制失效分析報(bào)告

失效分析的最終成果是編制一份詳實(shí)、準(zhǔn)確的失效分析報(bào)告。報(bào)告應(yīng)清晰呈現(xiàn)分析過(guò)程中的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀察到的事實(shí)以及得出的結(jié)論。報(bào)告內(nèi)容需邏輯嚴(yán)密、條理清晰，避免主觀臆斷和憑空想象。

失效分析技術(shù)手段

1.光學(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡是失效分析中最為基礎(chǔ)且常用的檢測(cè)工具之一，主要用于對(duì)PCB進(jìn)行外觀檢查。通過(guò)光學(xué)顯微鏡，可以清晰地觀察到PCB表面的污染狀況，如是否有殘留的助焊劑、灰塵、油污等；檢查腐蝕情況，判斷是否存在化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的銅線斷裂、焊盤損壞等問(wèn)題；確定爆板的位置，觀察爆板區(qū)域的裂紋形態(tài)和擴(kuò)展方向；分析電路布線的合理性，查看是否存在線寬不足、線間距過(guò)小等設(shè)計(jì)缺陷；同時(shí)，還能探究失效的規(guī)律性，如是批次性問(wèn)題還是個(gè)別現(xiàn)象，是否總是集中在某個(gè)特定區(qū)域等。這些外觀檢查信息為初步判斷PCB的失效模式提供了直觀依據(jù)，為進(jìn)一步的深入分析指明方向。

2.X射線（X - ray）

對(duì)于一些無(wú)法通過(guò)外觀檢查直接觀察到的PCB內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷，如通孔內(nèi)部的焊錫填充情況、高密度封裝的BGA或CSP器件的焊點(diǎn)連接狀態(tài)等，X射線透視系統(tǒng)成為不可或缺的檢測(cè)手段。

X光透視系統(tǒng)利用不同材料厚度或密度對(duì)X光的吸收或透過(guò)率差異來(lái)成像。在PCBA焊點(diǎn)內(nèi)部缺陷檢測(cè)方面，能夠清晰地顯示出焊點(diǎn)內(nèi)部是否存在空洞、錫球、錫渣等缺陷。通過(guò)X射線檢測(cè)，可以有效彌補(bǔ)光學(xué)顯微鏡在內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面的不足，拓展失效分析的深度和廣度。

3.切片分析

切片分析是一種破壞性的檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)PCB樣品進(jìn)行取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕等一系列精細(xì)操作，獲得PCB的橫截面結(jié)構(gòu)。借助顯微鏡觀察切片后的橫截面，可以獲得豐富的微觀結(jié)構(gòu)信息，如通孔的孔壁粗糙度、鍍層厚度均勻性、基板內(nèi)部的玻璃纖維分布、樹脂填充情況等。這些微觀結(jié)構(gòu)信息對(duì)于評(píng)估PCB的質(zhì)量具有重要意義，能夠?yàn)橘|(zhì)量改進(jìn)提供有力的數(shù)據(jù)支持。

4.掃描聲學(xué)顯微鏡

掃描聲學(xué)顯微鏡（C模式超聲掃描聲學(xué)顯微鏡）是基于高頻超聲波在材料不連續(xù)界面上反射產(chǎn)生的振幅、位相與極性變化來(lái)成像的檢測(cè)設(shè)備。它能夠沿著Z軸掃描X - Y平面的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件、材料以及PCB與PCBA內(nèi)部各種缺陷的無(wú)損檢測(cè)。該技術(shù)在檢測(cè)裂紋、分層、夾雜物、空洞等缺陷方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

5.顯微紅外分析

顯微紅外分析是將紅外光譜技術(shù)與顯微鏡相結(jié)合的一種分析方法。它利用不同材料（尤其是有機(jī)物）對(duì)紅外光譜的不同吸收特性，來(lái)分析材料的化合物成分。借助顯微鏡的輔助，可實(shí)現(xiàn)可見光與紅外光的同光路觀察，使得在可見視場(chǎng)下能夠精準(zhǔn)地尋找并分析微量的有機(jī)污染物。在電子工藝中，微量的有機(jī)污染往往會(huì)對(duì)PCB焊盤或引線腳的可焊性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而顯微紅外分析能夠有效解決這一難題。