浅谈封装材料失效分析

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文简述了PCB、电子元器件、金属、高分子材料复合材料和涂层镀层的失效分析。

在电子封装领域，各类材料因特性与应用场景不同，失效模式和分析检测方法也各有差异。

PCB/PCBA 失效分析

印刷电路板（PCB）作为电子信息产品中承载元器件、传输电路信号的核心载体，其质量优劣与可靠性高低，直接关乎整机设备的性能表现。PCB 常见的失效模式丰富多样，涵盖爆板、分层、短路、起泡、焊接缺陷以及腐蚀迁移等多种类型。

在 PCB 失效检测技术体系中，无损检测占据重要地位。X 射线透视、三维 CT 扫描、扫描声学显微镜（C-SAM）及红外热成像等技术，无需破坏样品，便能精准展现 PCB 内部结构细节，有效识别隐藏缺陷。表面元素剖析则依赖扫描电镜 - 能谱仪（SEM/EDS）、显微红外光谱仪（FTIR）、俄歇电子能谱仪（AES）、X 射线光电子能谱仪（XPS）、飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）等设备，深入解析材料表面的元素构成与化学状态。热性能研究通过差示扫描量热法（DSC）、热机械分析（TMA）、热重分析（TGA）、动态热机械分析（DMA），配合稳态热流法与激光散射法测定热导率，探究材料在不同温度下的性能变化规律。电性能测试涵盖击穿电压、耐电压、介电常数及电迁移测试等项目，全面评估 PCB 的电气性能表现。而染色渗透检测作为破坏性检测手段，能够进一步揭示材料内部的细微缺陷。

电子元器件失效分析

电子元器件的可靠性研究致力于通过多元技术手段，提升其在实际应用中的稳定性能。在服役过程中，元器件易出现开路、短路、漏电、功能失效、电参数波动及性能不稳定等故障。

在失效检测流程里，电学性能检测是关键的初始环节。通过连接性测试、电参数精确测量和功能完整性测试，可快速判断元器件的电气功能是否正常。无损检测借助机械开封、化学开封、激光开封等技术，结合化学腐蚀、等离子腐蚀、机械研磨等去钝化层方法，以及聚焦离子束（FIB）、芯片探针（CP）等微区分析技术，实现对元器件内部结构的精细观察。制样技术为后续分析提供标准样本；光学显微技术与扫描电子显微镜二次电子成像技术，从微观层面呈现元器件的表面形貌特征。表面元素分析运用扫描电镜 - 能谱仪（SEM/EDS）、俄歇电子能谱仪（AES）、X 射线光电子能谱仪（XPS）、二次离子质谱仪（SIMS）等先进工具，准确测定元器件表面的元素成分。此外，X 射线透视、三维成像及反射式扫描声学显微技术（C-SAM）等无损检测方式，能够有效探测元器件内部的缺陷隐患。

金属材料失效分析

金属封装材料的失效诱因繁杂，涉及多个方面，常见的失效模式包括设计不合理、材料本身存在缺陷、铸造工艺出现问题、焊接质量不达标以及热处理操作不当等情况 。这些失效问题会对金属封装材料的性能与可靠性产生严重影响。

为了准确找出金属材料失效的根本原因，需要综合运用多种检测手段。在微观组织分析方面，借助金相分析、X 射线相结构分析、表面残余应力分析以及晶粒度检测等方法，深入研究金属材料的微观结构特征，探寻结构变化与失效之间的关联 。成分分析依赖直读光谱仪、X 射线光电子能谱仪（XPS）、俄歇电子能谱仪（AES）等专业设备，对材料的化学成分进行精确测定。X 射线衍射仪（XRD）则在物相分析中发挥关键作用，用于确定材料中具体的物相组成。通过 X 射线应力测定仪开展残余应力分析，能够检测材料内部的应力分布状态。此外，利用万能试验机、冲击试验机、硬度试验机等设备进行机械性能测试，可全面评估材料的各项力学性能指标，为失效分析提供有力的数据支撑。

高分子材料失效分析

高分子材料作为封装技术的重要组成部分，在保障封装性能方面发挥着核心作用。但在实际的电子封装应用场景中，高分子材料面临着较为严峻的失效问题，其失效表现形式多样，涵盖断裂、开裂、分层、腐蚀、起泡、涂层脱落、变色、磨损等多种类型 。这些失效现象不仅会破坏封装结构的完整性，还可能干扰电子设备的正常运转，影响设备的性能与使用寿命。

针对高分子材料的失效检测，目前已形成了一套全面且丰富的检测体系。在成分分析领域，傅里叶红外光谱仪（FTIR）、显微共焦拉曼（Raman）光谱仪、扫描电镜及能谱分析（SEM/EDS）、X 射线荧光光谱分析（XRF）等多种先进仪器协同作用，能够深入剖析材料的化学成分与分子结构 。热分析借助差示扫描量热法（DSC）、热机械分析（TMA）、热重分析（TGA）等技术，结合稳态热流法、激光散射法测量导热系数，系统地研究材料在不同温度环境下的性能变化规律。裂解分析采用裂解气相色谱 - 质谱法、凝胶渗透色谱分析（GPC）、熔融指数测试（MFR）等方法，探究材料的热裂解行为以及分子链结构特点。断口分析利用扫描电子显微镜（SEM）、X 射线能谱仪（EDS），对材料断裂后的表面形貌和元素分布情况进行分析，从而推断失效的具体原因。此外，借助硬度计、拉伸试验机、万能试验机等设备开展物理性能测试，能够全面评估高分子材料的力学性能，为失效分析和材料优化提供重要依据。

复合材料失效分析

复合材料由两种及以上不同性质材料复合而成，凭借高比强度、优异韧性和良好环境适应性等显著优势，在封装生产中得到广泛应用。但在实际使用过程中，也会出现断裂、变色、腐蚀、机械性能下降等失效现象。

为有效检测复合材料失效问题，多种技术手段综合运用。无损检测技术作为重要的初步筛查方法，涵盖射线检测技术（如 X 射线、γ 射线、中子射线检测）、工业 CT、康普顿背散射成像（CST）技术、超声检测技术（穿透法、脉冲反射法、串列法）等，可在不破坏样品的情况下，发现材料内部缺陷与损伤 。成分分析主要借助 X 射线荧光光谱分析（XRF）等方法，确定材料元素组成 。热分析采用热重分析法（TG）、差示扫描量热法（DSC）、静态热机械分析法（TMA）等技术，研究材料热稳定性与热机械性能 。对于需要深入观察内部结构的情况，通过金相切片、聚焦离子束（FIB）制样、离子研磨（CP）制样等切片分析的破坏性实验，获取微观层面详细信息。

涂层 / 镀层失效分析

涂层 / 镀层在使用过程中，分层、开裂、腐蚀、起泡、脱落、变色等失效情况较为常见，这些问题会削弱其对基底材料的保护作用，影响产品外观与性能。

在检测手段方面，涂层 / 镀层的无损检测、成分分析、热分析方法与高分子材料检测存在诸多相似之处。此外，断口分析利用体式显微镜（OM）、扫描电镜分析（SEM），细致观察涂层 / 镀层断裂处微观形貌，深入分析失效机理 ；通过拉伸强度、弯曲强度等力学性能测试，评估涂层 / 镀层与基底的结合强度及自身力学性能，为失效原因判断与工艺改进提供有力依据。