PCB失效分析技术概述

作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，PCB已成为电子信息产品的最重要的部分，其质量好坏与可靠性水平决定整机设备的质量与可靠性。但由于成本及技术的原因，PCB在生产与应用过程中出现了大量的失效。

下面介绍一些常用的失效分析技术。基于PCB的结构特点与失效的主要模式，这些技术包括：外观的检查、X射线透视检查、金相切片分析、光电子能谱分析、扫描声学和电子显微镜分析、显微红外分析及X射线能谱分析等。其中金相切片分析属于破坏性的分析技术，一旦使用了这种技术，样品就被破坏，而且无法恢复；另外，由于制样要求，扫描电子显微镜分析与X射线能谱分析有时也需要部分破坏样品。除此之外，在分析的过程中可能还会因为失效定位和失效原因的验证的需要，可能使用到如热应力、电性能、焊接性测试及尺寸测量等方面的试验技术。

1.外观的检查

外观检查是指目测或利用一些简单的仪器，如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB外观，寻找失效的部位及相关的物证，主要作用就是失效定位和初判PCB的失效模式。通常外观检查主要检查PCB的污染、爆板、腐蚀的位置、电路布线及失效的规律性。例如检查是批次的或是个别，是不是总是集中在某个区域等。此外，许多PCB的失效是在组装成PCBA后才发现，是不是由于组装工艺过程及过程所用材料的影响造成的失效，也需对失效区域的特征仔细检查。

2.X射线透视检查

对某些不能通过外观直接检查到的部位与PCB的通孔内部以及其他内部缺陷，只能采用X射线透视系统来检查。X射线透视系统成像原理就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X射线的吸收或透过率的不同来成像。该技术更多用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷以及给高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点定位。现在工业X射线透视设备的分辨率可达到1μm以下，并由二维向三维成像的设备转变，更有五维的设备用于封装的检查，但这种五维的X射线透视系统非常昂贵，极少在工业界应用。

3.金相切片分析

金相切片分析是指通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列步骤获得PCB横截面结构的过程。利用切片分析可以得到较多反映PCB（通孔、镀层等）质量的微观结构的信息，为进一步的质量改进提供依据。但该方法具有破坏性，一旦进行切片，样品必然会遭到破坏；而且该方法制样要求高，耗时也较长，需要技术娴熟的工作人员来完成。切片作业过程要求详细，可参考IPC的标准（IPC-TM-6502.1.1与IPC-M-S810）规定的流程执行。

4.扫描声学显微镜分析

当前用于电子封装或组装分析的设备主要是C模式下的超声波扫描声学显微镜，它的工作原理是利用高频超声波在材料不连续界面上经过反射产生的振幅及位相与极性的变化来成像，它的扫描方式是沿着Z轴扫描X-Y平面的信息。所以扫描声学显微镜可以用来检测材料、元器件及PCB与PCBA内部的各种缺陷，这些缺陷包括裂纹、分层、空洞以及夹杂物等。假如扫描声学的频率宽度足够，还能直接检测到焊点的内部缺陷。扫描声学的典型图像是以红色的警示色标示缺陷的存在，由于在SMT工艺中大量塑料封装元器件的使用，从有铅转换成无铅工艺的过程中，会产生大量的潮湿回流敏感问题，即吸湿的塑封器件会在更高的无铅工艺温度下，回流时产生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。这种条件下，扫描声学显微镜就显示其在多层高密度PCB无损探伤方面的优势。而一般的明显爆板则只需目测外观就能检测到。

5.显微红外分析(www.xing528.com)

显微红外分析是一种将红外光谱与显微镜结合在一起进行分析的方法，它利用不同材料（主要为有机物）对红外光谱不同吸收率的原理，分析材料中的化合物成分，再结合显微镜使可见光与红外光同光路，这样只要在可见的视场下，就能寻找要分析微量的有机污染物。假如没有显微镜的结合，红外光谱就只能分析样品量较多的样品。但电子工艺中很多情况是只要微量的污染物就会导致PCB焊盘或引线脚的焊接性不良，因此，没有显微镜配套的红外光谱是难以解决工艺问题的。显微红外分析主要用来分析被焊面或焊点表面的有机污染物，探明腐蚀或焊接性不良的原因。

6.扫描电子显微镜分析

扫描电子显微镜（SEM）作为失效分析的最为有效测试方法之一，它的工作原理是利用阴极发射的电子束由阳极加速，再由磁透镜聚焦形成一束直径为几十至几千埃（Å）（1Å=0.1nm）的电子束流，通过扫描线圈的偏转作用，电子束将以一定时间和空间顺序在试样的表面作逐点式扫描，这束高能电子束轰击到样品表面时会激发出许多种信息，通过收集放大就能从显示屏上得到各类电子相应的图形。由于激发的二次电子产生于样品表面5～10nm的范围内，因此，二次电子可以较好地反映样品的表面形貌，所以二次电子最常用作形貌观察；而激发的背散射电子则产生于样品表面100～1000nm的范围内，随物质原子序数的不同而发出不同特征的背散射电子，因而背散射电子图像具有形貌特征及原子序数判别的能力，同时，背散射电子像能反映化学元素成分的分布状态。目前的扫描电子显微镜功能已经很强大，任何表面特征或精细结构均可放大到数十万倍进行观察与分析。

SEM在PCB或焊点的失效分析中主要用来作失效机理分析，具体来说就是用来观察焊盘表面的形貌结构、测量金属间化物、焊点金相组织、焊接性镀层分析以及锡须分析测量等。和光学显微镜不同，SEM是电子成像，它只有黑白两色，且扫描电镜的试样需要导电，对非导体和部分半导体要求喷金或碳处理，否则电荷聚集在样品表面会影响样品的观察。另外，由于扫描电镜图像景深远远大于光学显微镜，因而是针对金相结构、显微断口及锡须等不平整样品的重要分析手段。

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。

根据电子束的扫描方式不同，能谱仪能进行表面的点分析、线分析以及面分析，可以得到不同元素分布的信息。点分析能得到一点的所有元素；线分析每次对指定的一条路径做一种元素分析，经多次扫描可得到所有元素的线分布；面分析则是对一个指定面内的所有元素进行分析，测得的元素含量是测量面范围的均值。

能谱仪在PCB的分析上主要用于焊盘表面的成分分析，对焊接性不良的焊盘与引线脚表面污染物的元素作分析。由于能谱仪的定量分析的准确度有限，低于0.1%的含量（质量分数）的元素一般不易检出。能谱仪与SEM结合使用可以同时获取表面形貌与成分的信息，因而它们得以广泛应用。

8.光电子能谱（XPS）分析

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E_x，可得到原子的内壳层电子的结合能E_b，E_b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）。可以用XPS来进行样品表面的浅表面（几个纳米级）元素的定性和定量分析。另外，还能根据结合能的化学位移获取有关元素化学价态的信息。可以给出表面层原子价态同周围元素键合等信息；因为入射束为X射线光子束，因而可进行绝缘样品的分析，这种方式不损伤被分析样品而且可快速做多元素分析；还可以在氩离子剥离的情形下对多层进行纵向元素分布分析（参见后面的案例），而且灵敏度远比能谱仪高。在PCB的分析方面，XPS主要用于焊盘镀层的质量分析、氧化程度的分析以及污染物分析，用来分析焊接性不良的深层次原因。