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关键词 | 印制电路板，失效分析，分析技术
一、前言
PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。随着电子信息产品的小型化以及无铅无卤化的环保要求，PCB也向高密度高Tg以及环保的方向发展。但是由于成本以及技术的原因，PCB在生产和应用过程中出现了大量的失效问题，并因此引发了许多的质量纠纷。为了弄清楚失效的原因以便找到解决问题的办法和分清责任，必须对所发生的失效案例进行失效分析。本文将讨论和介绍一部分常用的失效分析技术，同时介绍一些典型的案例。
二、失效分析技术
介于PCB的结构特点与失效的主要模式，本文将重点介绍九项用于PCB失效分析的技术，包括：外观检查、X射线透视检查、金相切片分析、热分析、光电子能谱分析、显微红外分析、扫描电镜分析以及X射线能谱分析等。其中金相切片分析是属于破坏性的分析技术，一旦使用了这两种技术，样品就破坏了，且无法恢复；另外由于制样的要求，可能扫描电镜分析和X射线能谱分析有时也需要部分破坏样品。此外，在分析的过程中可能还会由于失效定位和失效原因的验证的需要，可能需要使用如热应力、电性能、可焊性测试与尺寸测量等方面的试验技术，这里就不专门介绍了。
2.1 外观检查
外观检查就是目测或利用一些简单仪器，如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB的外观，寻找失效的部位和相关的物证，主要的作用就是失效定位和初步判断PCB的失效模式。外观检查主要检查PCB的污染、腐蚀、爆板的位置、电路布线以及失效的规律性、如是批次的或是个别，是不是总是集中在某个区域等等。另外，有许多PCB的失效是在组装成PCBA后才发现，是不是组装工艺过程以及过程所用材料的影响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征。
2.2 X射线透视检查
对于某些不能通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷，只好使用X射线透视系统来检查。X光透视系统就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X光的吸湿或透过率的不同原理来成像。该技术更多地用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷和高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位。目前的工业X光透视设备的分辨率可以达到一个微米以下，并正由二维向三维成像的设备转变，甚至已经有五维(5D)的设备用于封装的检查，但是这种5D的X光透视系统非常贵重，很少在工业界有实际的应用。
2.3 切片分析
切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB横截面结构的过程。通过切片分析可以得到反映PCB(通孔、镀层等)质量的微观结构的丰富信息，为下一步的质量改进提供很好的依据。但是该方法是破坏性的，一旦进行了切片，样品就必然遭到破坏；同时该方法制样要求高，制样耗时也较长，需要训练有素的技术人员来完成。要求详细的切片作业过程，可以参考IPC的标准IPC－TM－650 2.1.1和IPC－MS－810规定的流程进行。
2.4 扫描声学显微镜
目前用于电子封装或组装分析的主要是C模式的超声扫描声学显微镜，它是利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的振幅及位相与极性变化来成像，其扫描方式是沿着Z轴扫描X－Y平面的信息。因此，扫描声学显微镜可以用来检测元器件、材料以及PCB与PCBA内部的各种缺陷，包括裂纹、分层、夹杂物以及空洞等。如果扫描声学的频率宽度足够的话，还可以直接检测到焊点的内部缺陷。典型的扫描声学的图像是以红色的警示色表示缺陷的存在，由于大量塑料封装的元器件使用在SMT工艺中，由有铅转换成无铅工艺的过程中，大量的潮湿回流敏感问题产生，即吸湿的塑封器件会在更高的无铅工艺温度下回流时出现内部或基板分层开裂现象，在无铅工艺的高温下普通的PCB也会常常出现爆板现象。此时，扫描声学显微镜就凸现其在多层高密度PCB无损探伤方面的特别优势。而一般的明显的爆板则只需通过目测外观就能检测出来。
2.5 显微红外分析
显微红外分析就是将红外光谱与显微镜结合在一起的分析方法，它利用不同材料(主要是有机物)对红外光谱不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再结合显微镜可使可见光与红外光同光路，只要在可见的视场下，就可以寻找要分析微量的有机污染物。如果没有显微镜的结合，通常红外光谱只能分析样品量较多的样品。而电子工艺中很多情况是微量污染就可以导致PCB焊盘或引线脚的可焊性不良，可以想象，没有显微镜配套的红外光谱是很难解决工艺问题的。显微红外分析的主要用途就是分析被焊面或焊点表面的有机污染物，分析腐蚀或可焊性不良的原因。
2.6 扫描电子显微镜分析
扫描电子显微镜(SEM)是进行失效分析的一种最有用的大型电子显微成像系统，其工作原理是利用阴极发射的电子束经阳极加速，由磁透镜聚焦后形成一束直径为几十至几千埃(A)的电子束流，在扫描线圈的偏转作用下，电子束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动，这束高能电子束轰击到样品表面上会激发出多种信息，经过收集放大就能从显示屏上得到各种相应的图形。激发的二次电子产生于样品表面5~10nm范围内，因而，二次电子能够较好的反映样品表面的形貌，所以最常用作形貌观察；而激发的背散射电子则产生于样品表面100~1000nm范围内，随着物质原子序数的不同而发射不同特征的背散射电子，因此背散射电子图象具有形貌特征和原子序数判别的能力，也因此，背散射电子像可反映化学元素成分的分布。现时的扫描电子显微镜的功能已经很强大，任何精细结构或表面特征均可放大到几十万倍进行观察与分析。
在PCB或焊点的失效分析方面，SEM主要用来作失效机理的分析，具体说来就是用来观察焊盘表面的形貌结构、焊点金相组织、测量金属间化物、可焊性镀层分析以及做锡须分析测量等。与光学显微镜不同，扫描电镜所成的是电子像，因此只有黑白两色，并且扫描电镜的试样要求导电，对非导体和部分半导体需要喷金或碳处理，否则电荷聚集在样品表面就影响样品的观察。此外，扫描电镜图像景深远远大于光学显微镜，是针对金相结构、显微断口以及锡须等不平整样品的重要分析方法。
2.7 X射线能谱分析
上面所说的扫描电镜一般都配有X射线能谱仪。当高能的电子束撞击样品表面时，表面物质的原子中的内层电子被轰击逸出，外层电子向低能级跃迁时就会激发出特征X射线，不同元素的原子能级差不同而发出的特征X射线就不同，因此，可以将样品发出的特征X射线作为化学成分分析。同时按照检测X射线的信号为特征波长或特征能量又将相应的仪器分别叫波谱分散谱仪(简称波谱仪，WDS)和能量分散谱仪(简称能谱仪，EDS)，波谱仪的分辨率比能谱仪高，能谱仪的分析速度比波谱仪快。由于能谱仪的速度快且成本低，所以一般的扫描电镜配置的都是能谱仪。
随着电子束的扫描方式不同，能谱仪可以进行表面的点分析、线分析和面分析，可得到元素不同分布的信息。点分析得到一点的所有元素；线分析每次对指定的一条线做一种元素分析，多次扫描得到所有元素的线分布；面分析对一个指定面内的所有元素分析，测得元素含量是测量面范围的平均值。
在PCB的分析上，能谱仪主要用于焊盘表面的成分分析，可焊性不良的焊盘与引线脚表面污染物的元素分析。能谱仪的定量分析的准确度有限，低于0.1%的含量一般不易检出。能谱与SEM结合使用可以同时获得表面形貌与成分的信息(如图1)，这是它们应用广泛的原因所在。
2.8 光电子能谱(XPS)
样品受X射线照射时，表面原子的内壳层电子会脱离原子核的束缚而逸出固体表面形成电子，测量其动能Ex，可得到原子的内壳层电子的结合能Eb，Eb因不同元素和不同电子壳层而异，它是原子的“指纹”标识参数，形成的谱线即为光电子能谱(XPS)。XPS可以用来进行样品表面浅表面(几个纳米级)元素的定性和定量分析。此外，还可根据结合能的化学位移获得有关元素化学价态的信息。能给出表面层原子价态与周围元素键合等信息；入射束为X射线光子束，因此可进行绝缘样品分析，不损伤被分析样品快速多元素分析；还可以在氩离子剥离的情况下对多层进行纵向的元素分布分析(可参见后面的案例)，且灵敏度远比能谱(EDS)高。XPS在PCB的分析方面主要用于焊盘镀层质量的分析、污染物分析和氧化程度的分析，以确定可焊性不良的深层次原因。
2.9 热分析
2.9.1差示扫描量热仪(DSC)
差示扫描量热法(Differential Scanning Calorim- etry)是在程序控温下，测量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度(或时间)关系的一种方法。DSC在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，可通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，而使两边热量平衡，温差ΔT消失，并记录试样和参比物下两只电热补偿的热功率之差随温度(或时间)的变化关系，根据这种变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。DSC的应用广泛，但在PCB的分析方面主要用于测量PCB上所用的各种高分子材料的固化程度(例如图2)、玻璃态转化温度，这两个参数决定着PCB在后续工艺过程中的可靠性。
2.9.2 热机械分析仪 (TMA)
热机械分析技术(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控温下，测量固体、液体和凝胶在热或机械力作用下的形变性能，常用的负荷方式有压缩、针入、拉伸、弯曲等。测试探头由固定在其上面的悬臂梁和螺旋弹簧支撑，通过马达对试样施加载荷，当试样发生形变时，差动变压器检测到此变化，并连同温度、应力和应变等数据进行处理后可得到物质在可忽略负荷下形变与温度(或时间)的关系。根据形变与温度(或时间)的关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。TMA的应用广泛，在PCB的分析方面主要用于PCB最关键的两个参数：测量其线性膨胀系数和玻璃态转化温度。膨胀系数过大的基材的PCB在焊接组装后常常会导致金属化孔的断裂失效。
2.9.3 热重分析仪 (TGA)
热重法(Thermogravimetry Analysis)是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系的一种方法。TGA通过精密的电子天平可监测物质在程控变温过程中发生的细微的质量变化。根据物质质量随温度(或时间)的变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。TGA在研究化学反应或物质定性定量分析方面有广泛的应用；在PCB的分析方面，主要用于测量PCB材料的热稳定性或热分解温度，如果基材的热分解温度太低，PCB在经过焊接过程的高温时将会发生爆板或分层失效现象。
三、失效分析的基本程序
要获得PCB失效或不良的准确原因或者机理，必须遵守基本的原则及分析流程，否则可能会漏掉宝贵的失效信息，造成分析不能继续或可能得到错误的结论。一般的基本流程是，首先必须基于失效现象，通过信息收集、功能测试、电性能测试以及简单的外观检查，确定失效部位与失效模式，即失效定位或故障定位。对于简单的PCB或PCBA，失效的部位很容易确定，但是，对于较为复杂的BGA或MCM封装的器件或基板，缺陷不易通过显微镜观察，一时不易确定，这个时候就需要借助其它手段来确定。接着就要进行失效机理的分析，即使用各种物理、化学手段分析导致PCB失效或缺陷产生的机理，如虚焊、污染、机械损伤、潮湿应力、介质腐蚀、疲劳损伤、CAF或离子迁移、应力过载等等。再就是失效原因分析，即基于失效机理与制程过程分析，寻找导致失效机理发生的原因，必要时进行试验验证，一般尽应该可能的进行试验验证，通过试验验证可以找到准确的诱导失效的原因。这就为下一步的改进提供了有的放矢的依据。最后，就是根据分析过程所获得试验数据、事实与结论，编制失效分析报告，要求报告的事实清楚、逻辑推理严密、条理性强，切忌凭空想象。
分析的过程中，注意使用分析方法应该从简单到复杂、从外到里、从不破坏样品再到使用破坏的基本原则。只有这样，才可以避免丢失关键信息、避免引入新的人为的失效机理。就好比交通事故，如果事故的一方破坏或逃离了现场，在高明的警察也很难作出准确责任认定，这时的交通法规一般就要求逃离现场者或破坏现场的一方承担全部责任。PCB或PCBA的失效分析也一样，如果使用电烙铁对失效的焊点进行补焊处理或大剪刀进行强力剪裁PCB，那么再分析就无从下手了，失效的现场已经破坏了。特别是在失效样品少的情况下，一旦破坏或损伤了失效现场的环境，真正的失效原因就无法获得了。
四、典型的失效案例
由于PCB失效的类型和原因众多，且本文篇幅有限，下面将选择几个典型的案例进行介绍，重点介绍分析技术的运用以及解决问题的基本思路，分析的过程则省略。
4.1 热风整平处理(HASL)的焊盘可焊性不良原因分析
一大批量的无铅PCB裸板在国外工厂现场做SMT组装的时候发现该PCB的焊盘可焊性不良，在工艺条件未有变动的情况下，PCB板面多处所用焊锡不能润湿焊盘。经检查，焊锡对元器件润湿良好，金相分析显示工艺参数正常。于是首先用SEM/EDS检查不上锡的部位，发现HASL处理(使用锡铜共晶合金)的表面已经全部金属化，生成了Cu6Sn5的金属间化物(详见图3)；对部分裸板的焊盘切片以后也发现，部分区域已经全部金属化(见图4)。众所周知，没有焊接组装前的焊盘都已经金属化，显然其可焊性必然严重下降，在同样工艺条件下，必然导致焊接不良。这种组装前焊盘的可焊性镀层就金属化显然与HASL的工艺有关。需要注意的是，在该案例中没有发现焊盘被污染或镀层厚度不足的问题。某些实验室或公司将这类问题的原因归结为镀层过薄显然不准确，HASL 处理的板镀层厚度是没有标准要求的。
4.2 电镀镍金焊盘的可焊性不良分析
该批次PCB的焊盘的表面处理为电镀镍金，失效样品的现象表现为：局部润湿不良，典型的特征(见图5)。经过SEM/EDS对焊盘表面的结构或成分分析，没有发现被污染、腐蚀黑镍等异常情况，厚度测试发现镍层约5微米，金层约0.05微米，符合技术要求。为此，我们使用XPS技术，分析各成分元素在焊盘表面的纵向分布(见图6)。
结果发现，镍镀层中的镍已经扩散到金层表面，形成了金属共溶体，导致金层结构的改变，从而导致锡焊时金层难以溶解，焊锡无法进一步地与镍层润湿形成合金层。这是这次焊盘可焊性不良地根本原因。镍扩散进入金地表层应该与电镀工艺和后续地处理有密切地关系。
4.3 爆板分析
该批样品为CEM1类型板材，无铅回流焊后发生爆板失效，概率达3%左右，样品呈长条型，其中有一排较大地电磁继电器(见图7)。爆板的区域集中在元器件分布少的部位，且该部位和对应的背面的颜色较黄，颜色较其他部位要明显深(见图8)。通过切片分析发现，爆板发生的区域内部PCB基材分层在纸质层。用近似批次的样板按照进行热应力试验，在260℃下由10秒到30秒都没有发现类似的爆板失效，试验后的样品的颜色也没有实际失效的样品深。同时用热分析方法(TGA和DSC)对爆板区域的材质进行，发现该材质的热分解温度和玻璃态转化温度均符合材质的技术规范。根据以上分析，可以推断该无铅回流焊组装工艺的条件超出了该类型PCB的技术要求，回流时为了保证吸热的大器件的焊点合格或良好，设置的工艺参数主要是焊接的温度与时间过高过长，导致元器件少或空白的区域局部温度超过该类型板材的技术规范，最终导致产品爆板失效。该失效与板材本身无关，而与材质的选用、设计以及焊接工艺有关。实际上，业界的PCB爆板案例大多与板材有关，主要是热分解温度过低或水分含量过高造成，而本案例则例外。
4.4 CAF案例分析
某手机主板在使用不久后即出现故障，表现为6、7和8号按键出现自动拨号的现象。通过电路分析与诊断，发现该现象是由于与这几个按键相邻的另一埋孔相连的一个电阻的信号干扰引起。监测发现该电阻与这几个按键的相邻的金属化埋孔的绝缘电阻已经明显下降(位置见图9)。于是，按照最近距离原则，对该故障点进行切片检查，结果发现了导致绝缘电阻下降的根本原因是相邻的金属化孔之间发生了导电阳极丝生长现象(见图10)，通过SEM/EDS分析也可以得到进一步得证实。类似现象在无卤化的高密度的线路板中发生得越来越频繁。由于篇幅所限，CAF生长得机理在此就不再繁述，可参阅有关专著。
五、结论
为了因应环保以及电子产品小型化的发展要求，电子制造的材料和工艺过程都发生了很大的变化。作为电子信息产品中最关键的部件之一，最近以来早期失效现象频频发生。为了更好的控制或保证PCB的质量与可靠性，必须从研发、设计、工艺以及质量保证技术等多方面着手才能达到目的，其中作为质量保证技术中的关键，失效分析也越来越发挥着它的重要作用，只有通过失效分析才能够找到问题的根源，从而不断改进或提升产品的质量与可靠性。本文通过几个典型的失效案例介绍了PCB的基本的失效分析技术，希望能够在PCB业界的快速发展中起到一点保驾护航的作用。
