pcb设计中常见的十大故障分析技术

作为各种组件的载体和电路信号传输的枢纽，PCB已成为电子信息产品最重要和至关重要的部分。  PCB的质量和可靠性决定了整个设备的质量和可靠性。 但是，由于成本和技术原因，在PCB的生产和应用过程中发生了大量故障。  

对于这种故障问题，我们需要使用一些常见的故障分析技术来确保制造过程中PCB的质量和可靠性水平。 总结了十种主要的故障分析技术，以供参考。  

1.外观检查

外观检查是通过目视检查或使用某些简单的仪器（例如，体视显微镜，金相显微镜甚至放大镜）来检查PCB的外观，以找到 零件故障和相关的物理证据。 主要作用是定位故障并初步确定PCB的故障模式。 外观检查主要检查PCB的污染，腐蚀，爆炸板的位置，电路布线和故障的规律性。 如果是批量或单个，它总是集中在某个区域等等。 此外，还有许多PCB故障只有在组装成PCBA之后才发现。 失效是否是由组装过程引起的以及过程中所用材料的影响还需要仔细检查失效区域的特性。  

2，X射线透视检查

对于某些无法通过外观检查的部分以及PCB内部的通孔和其他内部缺陷，我们必须使用X射线透视检查系统 去检查。  X射线荧光透视系统使用不同的材料厚度或不同的材料密度来吸收X射线或通过不同的原理透射光。 此技术更多地用于检查PCBA焊点内部的缺陷，通孔内部的缺陷以及高密度封装BGA或CSP器件的缺陷焊点的位置。 当前的工业X射线荧光透视设备的分辨率可以达到小于一微米，并且它已经从二维成像设备转变为三维成像设备。 甚至五维（5D）设备都已用于包装检查，但是这种5D X荧光透视系统非常昂贵，很少在工业中得到实际应用。  

3，切片分析

切片分析是通过一系列方法和步骤（例如取样，镶嵌，切片，抛光，腐蚀， 和观察。 通过切片分析，您可以获得有关PCB微观结构的丰富信息（通孔，电镀等），这为下一步的质量改进提供了良好的基础。 但是，此方法具有破坏性。 切片后，样品将被销毁。 同时，该方法需要大量的样品制备，并且样品制备需要很长时间，这需要训练有素的技术人员来完成。 有关详细的切片过程，请参阅IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810过程。

4.扫描声显微镜

目前，C模式超声扫描声显微镜主要用于电子包装或组装分析。 它是在材料与相和极的不连续界面上使用高频超声反射。 成像方法基于图像的变化，而扫描方法是沿Z轴在XY平面中扫描信息。 因此，扫描声显微镜可用于检测组件，材料以及PCB和PCBA中的各种缺陷，包括裂纹，分层，夹杂物和空隙。 如果扫描声的频率宽度足够大，则还可以直接检测焊点的内部缺陷。 典型的扫描声像是红色警告色，表示存在缺陷。 由于在SMT工艺中使用了许多塑料封装的组件，因此在将铅转换为无铅的过程中会出现大量对水分回流敏感的问题。 即，吸湿性塑料包装装置在更高的无铅工艺温度下回流时将具有内部或基板分层龟裂现象，并且普通的PCB经常在无铅工艺的高温下破裂。 这时，扫描声学显微镜突出了其在多层高密度PCB的无损检测中的特殊优势。 通常，只有通过肉眼检查才能发现明显的破裂板。  

5.微红外分析

微红外分析是一种结合了红外光谱和显微镜的分析方法。 它使用不同的材料（主要是有机物质）吸收具有不同吸收率的红外光谱。 原理：分析材料的化学成分，并结合显微镜使可见光和红外光具有相同的光路。 只要在可见的视野内，就可以找到痕量有机污染物进行分析。 如果不使用显微镜，通常红外光谱只能分析大量样品。 在电子过程中的许多情况下，痕量污染会导致PCB焊盘或引脚的可焊性差。 可以想象，如果没有显微镜的红外光谱很难解决工艺问题。 微红外分析的主要目的是分析焊接表面或接头表面上的有机污染物，并分析腐蚀或可焊性差的原因。

　　6.扫描电子显微镜分析

　　扫描电子显微镜（SEM）是用于故障分析的最有用的大型电子显微镜成像系统之一。 其工作原理是利用阴极发射的电子束加速通过阳极，并在磁透镜聚焦后，形成直径为几十至几千埃（A）的电子束。 在扫描线圈的偏转下，电子束以一定的时间和空间顺序在样品表面上执行逐点扫描运动。 这种高能电子束在样品表面上的轰击将激发各种信息。 在收集和放大之后，可以从显示屏获得各种相应的图形。 激发的二次电子在样品表面上产生5-10 nm的范围。 因此，二次电子能更好地反映样品表面的形貌，因此最常用于形貌观察。 激发后的散射电子在样品表面产生。 在100〜1000nm范围内，具有不同特性的背散射电子以不同的原子序数发射。 因此，背向散射电子图像具有形态特征和辨别原子序数的能力。 因此，反向散射电子图像可以反映化学元素。 成分分配。 当前的扫描电子显微镜非常强大，任何精细的结构或表面特征都可以放大到数十万倍用于观察和分析。

　　就PCB或焊点失效分析而言，SEM主要用于分析失效机理。 具体而言，它用于观察焊盘表面的形态，焊点的金相结构，并测量金属间化学分析，可焊性涂层分析和锡晶须分析。 与光学显微镜不同，扫描电子显微镜形成电子图像，因此只有黑色和白色，并且扫描电子显微镜的样品需要导电。 非导体和某些半导体需要喷涂金或碳。 否则，样品表面上的电荷积累会影响样品的观察。 另外，SEM图像的景深远大于光学显微镜的景深。 对于不均匀样品，例如金相组织，微裂纹和锡晶须，这是一种重要的分析方法。

　　7.X射线能谱分析

　　上述扫描电子显微镜通常配备有X射线能谱仪。 当高能电子束撞击样品表面时，表面材料原子中的内部电子被轰击并逸出。 当外部电子跃迁到低能级时，特征X射线被激发。 不同元素的特性具有不同水平的原子能。 X射线不同，因此可以将样品发出的特征X射线分析为化学成分。 同时，根据检测到的X射线信号作为特征波长或特征能量，相应的仪器称为光谱色散光谱仪（简称为WDS）和能量色散光谱仪（简称为EDS）。 光谱仪的分辨率高于光谱仪，光谱仪的分析速度快于光谱仪。 由于能量谱仪的速度快且成本低，普通SEM配备了能量谱仪。

　　利用电子束的不同扫描方法，光谱仪可以执行表面点分析，线分析和表面分析，并且可以获得有关元素不同分布的信息。 点分析可获取点的所有元素； 线分析每次对指定的线执行元素分析，并且多次扫描获得所有元素的线分布； 表面分析会分析指定表面中的所有元素，并且测得的元素含量为测量范围的平均值。

　　在PCB的分析中，能量谱仪主要用于焊盘表面的成分分析，以及可焊性较差的焊盘表面和引脚的污染的元素分析。 能量光谱仪的定量分析的准确性是有限的，并且含量低于0.1％通常不易检测。 能量谱和SEM的结合可以同时获得有关表面形貌和组成的信息，这就是为什么它们被广泛使用的原因。

　　8.光电子能谱（XPS）分析

　　当样品受到X射线照射时，表面原子的内壳上的电子将从核中逸出并从固体中逸出 表面形成电子。 可以得到动能Ex，原子内壳的电子的结合能Eb。 Eb随不同元素和不同电子壳而变化。 它是原子的“指纹”识别参数。 形成的光谱线是光电子能谱（XPS）。 XPS可用于样品表面浅表面（几个纳米）元素的定性和定量分析。 另外，可以基于结合能的化学位移来获得关于元素的化学价的信息。 它可以提供诸如表层和周围元素的原子价之类的信息； 由于入射光束是X射线光子束，因此可以在不损坏被分析样品的情况下进行绝缘样品的分析。 也可以进行快速的多元素分析； 在氩离子剥离的情况下，在多个层上进行了纵向元素分布分析（请参见以下情况），其灵敏度远高于能谱（EDS）。 在PCB的分析中，XPS主要用于分析焊盘涂层的质量，污染的分析和氧化程度的分析，以确定造成不良可焊性的深层原因。

　　9.热分析差示扫描量热法

　　：一种在程序的温度控制下测量物质与参考物质之间的功率差与温度（或时间）输入之间关系的方法。 DSC在样品和参比容器下方配备了两组补偿加热丝。 当由于加热样品期间的热效应而在样品和参考之间产生温差ΔT时，可以使用差动热放大电路和差动热补偿放大器。 ，使流入补偿加热丝的电流发生变化。

　　为了平衡两侧的热量，温度差ΔT消失，并记录样品下两个电热补偿量与参考之间的热功率差随温度（或时间）的关系。 可以研究和分析材料的物理，化学和热力学性质。 DSC被广泛使用，但是在PCB的分析中，它主要用于测量PCB上使用的各种聚合物材料的固化度和玻璃化转变温度。 这两个参数决定了后续工艺中PCB的可靠性。

　　10.热力学分析仪（TMA）

　　热力学分析（Thermal Mechanical Analysis）用于在温度控制下测量固体，液体和凝胶对热力或机械力的影响。 程序根据变形性能，常用的载荷方法为压缩，穿透，拉伸，弯曲等。 测试探针由悬臂梁和固定在其上的螺旋弹簧支撑，并且通过电动机将载荷施加到样品上。 当样品变形时，差动变压器会检测到这种变化并利用温度，应力和应变数据对其进行处理。 可以得出，在可忽略的载荷下物质的变形与温度（或时间）有关。 根据变形与温度（或时间）之间的关系，可以研究和分析材料的物理，化学和热力学性质。 TMA被广泛使用。 在PCB分析中，它主要用于PCB的两个最关键参数：测量其线性膨胀系数和玻璃化转变温度。 具有膨胀系数过大的基板的PCB通常会导致在组装焊料后出现金属化孔的故障。

　　由于PCB的高密度发展趋势以及无铅和无卤素的环境要求，越来越多的PCB遇到各种故障问题，例如润湿性差，破裂，分层和CAF。 介绍这些分析技术在实际案例中的应用。 了解PCB的失效机理和原因，将有利于将来PCB的质量控制，避免类似问题再次发生。