失效分析簡介
失效分析是一門發(fā)展中的新興學(xué)科,近年開始從軍工向普通企業(yè)普及。它一般根據(jù)失效模式和現(xiàn)象,通過分析和驗(yàn)證,模擬重現(xiàn)失效的現(xiàn)象,找出失效的原因,挖掘出失效的機(jī)理的活動。在提高產(chǎn)品質(zhì)量,技術(shù)開發(fā)、改進(jìn),產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。其方法分為有損分析,無損分析,物理分析,化學(xué)分析等。
原理
失效機(jī)制是導(dǎo)致零件、元器件和材料失效的物理或化學(xué)過程。此過程的誘發(fā)因素有內(nèi)部的和外部的。在研究失效機(jī)制時,通常先從外部誘發(fā)因素和失效表現(xiàn)形式入手,進(jìn)而再研究較隱蔽的內(nèi)在因素。在研究批量性失效規(guī)律時,常用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,構(gòu)成表示失效機(jī)制、失效方式或失效部位與失效頻度、失效百分比或失效經(jīng)濟(jì)損失之間關(guān)系的排列圖或帕雷托圖,以找出必須首先解決的主要失效機(jī)制、方位和部位。任一產(chǎn)品或系統(tǒng)的構(gòu)成都是有層次的,失效原因也具有層次性,如系統(tǒng)-單機(jī)-部件(組件)-零件(元件)-材料。上一層次的失效原因即是下一層次的失效現(xiàn)象。越是低層次的失效現(xiàn)象,就越是本質(zhì)的失效原因。
作為各種元器件的載體與電路信號傳輸?shù)臉屑~,PCB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。但是由于成本以及技術(shù)的原因,PCB在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中出現(xiàn)了大量的失效問題。
對于這種失效問題,我們需要用到一些常用的失效分析技術(shù),來使得PCB在制造的時候質(zhì)量和可靠性水平得到一定的保證,本文總結(jié)了十大失效分析技術(shù),供參考借鑒。
1.外觀檢查
外觀檢查就是目測或利用一些簡單儀器,如立體顯微鏡、金相顯微鏡甚至放大鏡等工具檢查PCB的外觀,尋找失效的部位和相關(guān)的物證,主要的作用就是失效定位和初步判斷PCB的失效模式。外觀檢查主要檢查PCB的污染、腐蝕、爆板的位置、電路布線以及失效的規(guī)律性、如是批次的或是個別,是不是總是集中在某個區(qū)域等等。另外,有許多PCB的失效是在組裝成PCBA后才發(fā)現(xiàn),是不是組裝工藝過程以及過程所用材料的影響導(dǎo)致的失效也需要仔細(xì)檢查失效區(qū)域的特征。
2.X射線透視檢查
對于某些不能通過外觀檢查到的部位以及PCB的通孔內(nèi)部和其他內(nèi)部缺陷,只好使用X射線透視系統(tǒng)來檢查。X光透視系統(tǒng)就是利用不同材料厚度或是不同材料密度對X光的吸濕或透過率的不同原理來成像。該技術(shù)更多地用來檢查PCBA焊點(diǎn)內(nèi)部的缺陷、通孔內(nèi)部缺陷和高密度封裝的BGA或CSP器件的缺陷焊點(diǎn)的定位。目前的工業(yè)X光透視設(shè)備的分辨率可以達(dá)到一個微米以下,并正由二維向三維成像的設(shè)備轉(zhuǎn)變,甚至已經(jīng)有五維(5D)的設(shè)備用于封裝的檢查,但是這種5D的X光透視系統(tǒng)非常貴重,很少在工業(yè)界有實(shí)際的應(yīng)用。
3.切片分析
切片分析就是通過取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕、觀察等一系列手段和步驟獲得PCB橫截面結(jié)構(gòu)的過程。通過切片分析可以得到反映PCB(通孔、鍍層等)質(zhì)量的微觀結(jié)構(gòu)的豐富信息,為下一步的質(zhì)量改進(jìn)提供很好的依據(jù)。但是該方法是破壞性的,一旦進(jìn)行了切片,樣品就必然遭到破壞;同時該方法制樣要求高,制樣耗時也較長,需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員來完成。要求詳細(xì)的切片作業(yè)過程,可以參考IPC的標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810規(guī)定的流程進(jìn)行。
4.掃描聲學(xué)顯微鏡
目前用于電子封裝或組裝分析的主要是C模式的超聲掃描聲學(xué)顯微鏡,它是利用高頻超聲波在材料不連續(xù)界面上反射產(chǎn)生的振幅及位相與極性變化來成像,其掃描方式是沿著Z軸掃描X-Y平面的信息。因此,掃描聲學(xué)顯微鏡可以用來檢測元器件、材料以及PCB與PCBA內(nèi)部的各種缺陷,包括裂紋、分層、夾雜物以及空洞等。如果掃描聲學(xué)的頻率寬度足夠的話,還可以直接檢測到焊點(diǎn)的內(nèi)部缺陷。典型的掃描聲學(xué)的圖像是以紅色的警示色表示缺陷的存在,由于大量塑料封裝的元器件使用在SMT工藝中,由有鉛轉(zhuǎn)換成無鉛工藝的過程中,大量的潮濕回流敏感問題產(chǎn)生,即吸濕的塑封器件會在更高的無鉛工藝溫度下回流時出現(xiàn)內(nèi)部或基板分層開裂現(xiàn)象,在無鉛工藝的高溫下普通的PCB也會常常出現(xiàn)爆板現(xiàn)象。此時,掃描聲學(xué)顯微鏡就凸現(xiàn)其在多層高密度PCB無損探傷方面的特別優(yōu)勢。而一般的明顯的爆板則只需通過目測外觀就能檢測出來。
5.顯微紅外分析
顯微紅外分析就是將紅外光譜與顯微鏡結(jié)合在一起的分析方法,它利用不同材料(主要是有機(jī)物)對紅外光譜不同吸收的原理,分析材料的化合物成分,再結(jié)合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路,只要在可見的視場下,就可以尋找要分析微量的有機(jī)污染物。如果沒有顯微鏡的結(jié)合,通常紅外光譜只能分析樣品量較多的樣品。而電子工藝中很多情況是微量污染就可以導(dǎo)致PCB焊盤或引線腳的可焊性不良,可以想象,沒有顯微鏡配套的紅外光譜是很難解決工藝問題的。顯微紅外分析的主要用途就是分析被焊面或焊點(diǎn)表面的有機(jī)污染物,分析腐蝕或可焊性不良的原因。
6.掃描電子顯微鏡分析
掃描電子顯微鏡(SEM)是進(jìn)行失效分析的一種最有用的大型電子顯微成像系統(tǒng),其工作原理是利用陰極發(fā)射的電子束經(jīng)陽極加速,由磁透鏡聚焦后形成一束直徑為幾十至幾千埃(A)的電子束流,在掃描線圈的偏轉(zhuǎn)作用下,電子束以一定時間和空間順序在試樣表面作逐點(diǎn)式掃描運(yùn)動,這束高能電子束轟擊到樣品表面上會激發(fā)出多種信息,經(jīng)過收集放大就能從顯示屏上得到各種相應(yīng)的圖形。激發(fā)的二次電子產(chǎn)生于樣品表面5~10nm范圍內(nèi),因而,二次電子能夠較好的反映樣品表面的形貌,所以最常用作形貌觀察;而激發(fā)的背散射電子則產(chǎn)生于樣品表面100~1000nm范圍內(nèi),隨著物質(zhì)原子序數(shù)的不同而發(fā)射不同特征的背散射電子,因此背散射電子圖象具有形貌特征和原子序數(shù)判別的能力,也因此,背散射電子像可反映化學(xué)元素成分的分布?,F(xiàn)時的掃描電子顯微鏡的功能已經(jīng)很強(qiáng)大,任何精細(xì)結(jié)構(gòu)或表面特征均可放大到幾十萬倍進(jìn)行觀察與分析。
在PCB或焊點(diǎn)的失效分析方面,SEM主要用來作失效機(jī)理的分析,具體說來就是用來觀察焊盤表面的形貌結(jié)構(gòu)、焊點(diǎn)金相組織、測量金屬間化物、可焊性鍍層分析以及做錫須分析測量等。與光學(xué)顯微鏡不同,掃描電鏡所成的是電子像,因此只有黑白兩色,并且掃描電鏡的試樣要求導(dǎo)電,對非導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體需要噴金或碳處理,否則電荷聚集在樣品表面就影響樣品的觀察。此外,掃描電鏡圖像景深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡,是針對金相結(jié)構(gòu)、顯微斷口以及錫須等不平整樣品的重要分析方法。
7.X射線能譜分析
上面所說的掃描電鏡一般都配有X射線能譜儀。當(dāng)高能的電子束撞擊樣品表面時,表面物質(zhì)的原子中的內(nèi)層電子被轟擊逸出,外層電子向低能級躍遷時就會激發(fā)出特征X射線,不同元素的原子能級差不同而發(fā)出的特征X射線就不同,因此,可以將樣品發(fā)出的特征X射線作為化學(xué)成分分析。同時按照檢測X射線的信號為特征波長或特征能量又將相應(yīng)的儀器分別叫波譜分散譜儀(簡稱波譜儀,WDS)和能量分散譜儀(簡稱能譜儀,EDS),波譜儀的分辨率比能譜儀高,能譜儀的分析速度比波譜儀快。由于能譜儀的速度快且成本低,所以一般的掃描電鏡配置的都是能譜儀。
隨著電子束的掃描方式不同,能譜儀可以進(jìn)行表面的點(diǎn)分析、線分析和面分析,可得到元素不同分布的信息。點(diǎn)分析得到一點(diǎn)的所有元素;線分析每次對指定的一條線做一種元素分析,多次掃描得到所有元素的線分布;面分析對一個指定面內(nèi)的所有元素分析,測得元素含量是測量面范圍的平均值。
在PCB的分析上,能譜儀主要用于焊盤表面的成分分析,可焊性不良的焊盤與引線腳表面污染物的元素分析。能譜儀的定量分析的準(zhǔn)確度有限,低于0.1%的含量一般不易檢出。能譜與SEM結(jié)合使用可以同時獲得表面形貌與成分的信息,這是它們應(yīng)用廣泛的原因所在。
8.光電子能譜(XPS)分析
樣品受X射線照射時,表面原子的內(nèi)殼層電子會脫離原子核的束縛而逸出固體表面形成電子,測量其動能Ex,可得到原子的內(nèi)殼層電子的結(jié)合能Eb,Eb因不同元素和不同電子殼層而異,它是原子的“指紋”標(biāo)識參數(shù),形成的譜線即為光電子能譜(XPS)。XPS可以用來進(jìn)行樣品表面淺表面(幾個納米級)元素的定性和定量分析。此外,還可根據(jù)結(jié)合能的化學(xué)位移獲得有關(guān)元素化學(xué)價態(tài)的信息。能給出表面層原子價態(tài)與周圍元素鍵合等信息;入射束為X射線光子束,因此可進(jìn)行絕緣樣品分析,不損傷被分析樣品快速多元素分析;還可以在氬離子剝離的情況下對多層進(jìn)行縱向的元素分布分析,且靈敏度遠(yuǎn)比能譜(EDS)高。XPS在PCB的分析方面主要用于焊盤鍍層質(zhì)量的分析、污染物分析和氧化程度的分析,以確定可焊性不良的深層次原因。
9.熱分析差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorim-etry)
在程序控溫下,測量輸入到物質(zhì)與參比物質(zhì)之間的功率差與溫度(或時間)關(guān)系的一種方法。DSC在試樣和參比物容器下裝有兩組補(bǔ)償加熱絲,當(dāng)試樣在加熱過程中由于熱效應(yīng)與參比物之間出現(xiàn)溫差ΔT時,可通過差熱放大電路和差動熱量補(bǔ)償放大器,使流入補(bǔ)償電熱絲的電流發(fā)生變化。
而使兩邊熱量平衡,溫差ΔT消失,并記錄試樣和參比物下兩只電熱補(bǔ)償?shù)臒峁β手铍S溫度(或時間)的變化關(guān)系,根據(jù)這種變化關(guān)系,可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。DSC的應(yīng)用廣泛,但在PCB的分析方面主要用于測量PCB上所用的各種高分子材料的固化程度、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度,這兩個參數(shù)決定著PCB在后續(xù)工藝過程中的可靠性。
10.熱機(jī)械分析儀(TMA)
熱機(jī)械分析技術(shù)(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控溫下,測量固體、液體和凝膠在熱或機(jī)械力作用下的形變性能,常用的負(fù)荷方式有壓縮、針入、拉伸、彎曲等。測試探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐,通過馬達(dá)對試樣施加載荷,當(dāng)試樣發(fā)生形變時,差動變壓器檢測到此變化,并連同溫度、應(yīng)力和應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可得到物質(zhì)在可忽略負(fù)荷下形變與溫度(或時間)的關(guān)系。根據(jù)形變與溫度(或時間)的關(guān)系,可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。TMA的應(yīng)用廣泛,在PCB的分析方面主要用于PCB最關(guān)鍵的兩個參數(shù):測量其線性膨脹系數(shù)和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。膨脹系數(shù)過大的基材的PCB在焊接組裝后常常會導(dǎo)致金屬化孔的斷裂失效。