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PCB可靠性问题及案例分析——综述2

2019-03-27 16:40
PCB失效分析
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在失效分析过程中,往往需要借助多种失效分析手段综合分析,方能得到可靠的分析结论。而在分析前,需理解各分析手段的原理,充分了解其能力,并依据相关测试方法和标准进行测试分析,常用的测试分析标准包括IPC-TM-650、GJB360B、QJ832B和JESD22等。以下介绍常见的失效分析手段:

SEM&EDS

SEM即扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope),EDS即X射线能谱分析仪(Energy Dispersive Spectrometer),两者是业内最常见的联用设备,能够观察样品表面的微观形貌,并进行微区成分分析。扫描电子显微镜由其电子枪的不同,分为钨灯丝、热场和冷场电镜,不同的电镜之间,其放大倍率和分辨率均有区别,场发射电镜往往放大数十万倍也毫不费力,分辨率接近1nm。

SEM主要是通过聚焦高能电子束轰击扫描样品表面,被激发的区域将产生各种信号,如二次电子、背散射电子和特征X射线等,不同的信号被不同的探头接收从而得到试样的各类信息,其中二次电子主要反映形貌特征,背散射电子主要反映元素特征,而特征X射线信号则被能谱仪接收,通过计算机内部的计算,实现微区成份分析。为了得到稳定的图像,要求样品表面要导电,不导电样品则采用喷镀碳膜、铂膜等方式使其导电。

在PCB/PCBA失效分析应用方面,SEM主要应用于PCB/PCBA表面形貌的观察,通过形貌特征判断问题点和失效机理,比如焊点合金层(IMC)形貌、沉金镍腐蚀、干膜浮起、铜面微蚀形貌等。

在分析SEM&EDS的测试结果时,需注意以下几个问题:

⑴与光学显微镜不同,SEM输出的是电子像,只有黑白两色,那么在有些情况下光学显微镜可以轻易观察到的问题,在SEM图像上却“隐藏”了起来,比如说金面氧化、镀层凹坑和锡面发黄等;这些样品在进样前需对缺陷位置作特殊标识,必要时用光学显微镜拍的图像作位置比对;

⑵EDS反映的是一定深度内的元素分析结果,因此当需要分辨元素是在样品表面还是样品内部时,需要借助于其他的测试手段;

⑶EDS作为表面元素分析手段,其分析能力是有极限的,一般来说含量在0.1%以下的元素很难被EDS探测到;另外由于EDS属于半定量测试手段,其测试结果受加速电压和过压比(加速电压/元素出峰点)影响较大,因此需要准确定量的场合,不能采用EDS结果作判定。

超声波扫描

超声波具有较强的穿透性和方向性,能够检测PCB/PCBA的内部情况,被广泛的应用于无损检测。对样品进行超声波扫描,分析反射及透射的信号,可以确定板内部的分层、裂纹、空洞、起泡等缺陷。

人耳能听到的声音频率为16Hz~20KHz,而超声波是指频率超过20KHz的声波,是人耳无法听到的。任何频率的超声波都不能穿透真空,而当超声波频率大于10MHz时,则无法穿透空气。正是利用此特性,超声波扫描才能实现缺陷识别,比如说在使用透射模式(T-SCAN)时,材料内部分层、裂纹、空洞和气泡缺陷位置由于充斥着空气,超声波无法透过。那么在最终的扫描图像中,无法接收到超声波信号的位置就是缺陷位置。如下图为典型的超声波扫描效果图:

需要注意的是超声波扫描的分辨率是有限的,理论上来说提升超声波频率可以实现高分辨率的探测,甚至可以探测到焊点内部的空洞;但是随着超声波频率的提升,其穿透能力也会明显下降,其测量深度就会受限。因此,需选择适当的超声波频率来实现不同的探测目的。

润湿平衡称量法

照《IPC J-STD-003B 印制板可焊性测试》标准,PCB可焊性的评价方法主要有6种:边缘浸焊法、摆动浸焊法、浮焊法、波峰焊法、表面贴装工艺模拟法和润湿称量法。前五种方法都是通过检查上锡效果定性评价试样的可焊性,但缺点是用肉眼观察到的外观和可焊性面积来判定,不可避免人的主观因素。而润湿称量法是针对可焊性进行的一种定量表征方法,能反映出不同试样间微小的可焊性差异和整个润湿过程中润湿力随时间变化的关系,更加明确和直观。

润湿称量法是将试件从一垂直安装的高灵敏度的传感器上悬吊下来,以规定的速度浸渍到规定温度的熔融焊料槽中,且试件的底部浸渍至规定深度时,测定作用于试件上的浮力和表面张力在垂直方向上的合力,以该合力与时间的关系来评定试件的可焊性。


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