作(zuò)為(wèi)各種元器件的載體與電路信号傳輸的樞紐，PCB已經成為(wèi)電子信息産品的最為(wèi)重要(yào)而關鍵的部分，其質量的好壞與可(kě)靠性水平決定了(le)整機設備的質量與可(kě)靠性。但(dàn)是由于成本以及技術(shù)的原因，PCB在生産和(hé)應用過程中出現了(le)大量的失效問(wèn)題。
對于這(zhè)種失效問(wèn)題，我們需要(yào)用到一(yī)些常用的失效分析技術(shù)，來使得PCB在制造的時(shí)候質量和(hé)可(kě)靠性水平得到一(yī)定的保證，本文總結了(le)十大失效分析技術(shù)，供參考借鑒。
1．外(wài)觀檢查
外(wài)觀檢查就是目測或利用一(yī)些簡單儀器，如(rú)立體顯微(wēi)鏡、金(jīn)相顯微(wēi)鏡甚至放大鏡等工(gōng)具檢查PCB的外(wài)觀，尋找失效的部位和(hé)相關的物(wù)證，主要(yào)的作(zuò)用就是失效定位和(hé)初步判斷PCB的失效模式。外(wài)觀檢查主要(yào)檢查PCB的污染、腐蝕、爆闆的位置、電路布線以及失效的規律性、如(rú)是批次的或是個别，是不是總是集中在某個區(qū)域等等。另外(wài)，有許多PCB的失效是在組裝成PCBA後才發現，是不是組裝工(gōng)藝過程以及過程所用材料的影響導緻的失效也需要(yào)仔細檢查失效區(qū)域的特征。
2．X射線透視(shì)檢查
對于某些不能(néng)通(tōng)過外(wài)觀檢查到的部位以及PCB的通(tōng)孔內(nèi)部和(hé)其他(tā)內(nèi)部缺陷，隻好使用X射線透視(shì)系統來檢查。X光(guāng)透視(shì)系統就是利用不同材料厚度或是不同材料密度對X光(guāng)的吸濕或透過率的不同原理來成像。 該技術(shù)更多地(dì)用來檢查PCBA焊點內(nèi)部的缺陷、通(tōng)孔內(nèi)部缺陷和(hé)高密度封裝的BGA或CSP器件的缺陷焊點的定位。目前的工(gōng)業X光(guāng)透視(shì)設備的分辨率可(kě)以達到一(yī)個微(wēi)米以下(xià)，并正由二維向三維成像的設備轉變，甚至已經有五維（5D）的設備用于封裝的檢查，但(dàn)是這(zhè)種5D的X光(guāng)透視(shì)系統非常貴重，很(hěn)少(shǎo)在工(gōng)業界有實際的應用。
3．切片分析
切片分析就是通(tōng)過取樣、鑲嵌、切片、抛磨、腐蝕、觀察等一(yī)系列手段和(hé)步驟獲得PCB橫截面結構的過程。通(tōng)過切片分析可(kě)以得到反映PCB（通(tōng)孔、鍍層等）質量的微(wēi)觀結構的豐富信息，為(wèi)下(xià)一(yī)步的質量改進提供很(hěn)好的依據。但(dàn)是該方法是破壞性的，一(yī)旦進行(xíng)了(le)切片，樣品就必然遭到破壞；同時(shí)該方法制樣要(yào)求高，制樣耗時(shí)也較長(cháng)，需要(yào)訓練有素的技術(shù)人(rén)員(yuán)來完成。要(yào)求詳細的切片作(zuò)業過程，可(kě)以參考IPC的标準IPC－TM－650 2．1．1和(hé)IPC－MS－810規定的流程進行(xíng)。
4．掃描聲學顯微(wēi)鏡
目前用于電子封裝或組裝分析的主要(yào)是C模式的超聲掃描聲學顯微(wēi)鏡，它是利用高頻(pín)超聲波在材料不連續界面上(shàng)反射産生的振幅及位相與極性變化來成像，其掃描方式是沿着Z軸掃描X－Y平面的信息。因此，掃描聲學顯微(wēi)鏡可(kě)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(zá)物(wù)以及空洞等。如(rú)果掃描聲學的頻(pín)率寬度足夠的話，還可(kě)以直接檢測到焊點的內(nèi)部缺陷。典型的掃描聲學的圖像是以紅(hóng)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(gōng)藝中，由有鉛轉換成無鉛工(gōng)藝的過程中，大量的潮濕回流敏感問(wèn)題産生，即吸濕的塑封器件會在更高的無鉛工(gōng)藝溫度下(xià)回流時(shí)出現內(nèi)部或基闆分層開(kāi)裂現象，在無鉛工(gōng)藝的高溫下(xià)普通(tōng)的PCB也會常常出現爆闆現象。此時(shí)，掃描聲學顯微(wēi)鏡就凸現其在多層高密度PCB無損探傷方面的特别優勢。而一(yī)般的明(míng)顯的爆闆則隻需通(tōng)過目測外(wài)觀就能(néng)檢測出來。
5．顯微(wēi)紅(hóng)外(wài)分析
顯微(wēi)紅(hóng)外(wài)分析就是将紅(hóng)外(wài)光(guāng)譜與顯微(wēi)鏡結合在一(yī)起的分析方法，它利用不同材料（主要(yào)是有機物(wù)）對紅(hóng)外(wài)光(guāng)譜不同吸收的原理，分析材料的化合物(wù)成分，再結合顯微(wēi)鏡可(kě)使可(kě)見(jiàn)光(guāng)與紅(hóng)外(wài)光(guāng)同光(guāng)路，隻要(yào)在可(kě)見(jiàn)的視(shì)場下(xià)，就可(kě)以尋找要(yào)分析微(wēi)量的有機污染物(wù)。如(rú)果沒有顯微(wēi)鏡的結合，通(tōng)常紅(hóng)外(wài)光(guāng)譜隻能(néng)分析樣品量較多的樣品。而電子工(gōng)藝中很(hěn)多情況是微(wēi)量污染就可(kě)以導緻PCB焊盤或引線腳的可(kě)焊性不良，可(kě)以想象，沒有顯微(wēi)鏡配套的紅(hóng)外(wài)光(guāng)譜是很(hěn)難解決工(gōng)藝問(wèn)題的。顯微(wēi)紅(hóng)外(wài)分析的主要(yào)用途就是分析被焊面或焊點表面的有機污染物(wù)，分析腐蝕或可(kě)焊性不良的原因。
6．掃描電子顯微(wēi)鏡分析
掃描電子顯微(wēi)鏡（SEM）是進行(xíng)失效分析的一(yī)種最有用的大型電子顯微(wēi)成像系統，其工(gōng)作(zuò)原理是利用陰極發射的電子束經陽極加速，由磁透鏡聚焦後形成一(yī)束直徑為(wèi)幾十至幾千埃（A）的電子束流，在掃描線圈的偏轉作(zuò)用下(xià)，電子束以一(yī)定時(shí)間(jiān)和(hé)空間(jiān)順序在試樣表面作(zuò)逐點式掃描運動，這(zhè)束高能(néng)電子束轟擊到樣品表面上(shàng)會激發出多種信息，經過收集放大就能(néng)從(cóng)顯示屏上(shàng)得到各種相應的圖形。激發的二次電子産生于樣品表面5～10nm範圍內(nèi)，因而，二次電子能(néng)夠較好的反映樣品表面的形貌，所以最常用作(zuò)形貌觀察；而激發的背散射電子則産生于樣品表面100～1000nm範圍內(nèi)，随着物(wù)質原子序數(shù)的不同而發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(hé)原子序數(shù)判别的能(néng)力，也因此，背散射電子像可(kě)反映化學元素成分的分布。現時(shí)的掃描電子顯微(wēi)鏡的功能(néng)已經很(hěn)強大，任何精細結構或表面特征均可(kě)放大到幾十萬倍進行(xíng)觀察與分析。
在PCB或焊點的失效分析方面，SEM主要(yào)用來作(zuò)失效機理的分析，具體說來就是用來觀察焊盤表面的形貌結構、焊點金(jīn)相組織、測量金(jīn)屬間(jiān)化物(wù)、可(kě)焊性鍍層分析以及做(zuò)錫須分析測量等。與光(guāng)學顯微(wēi)鏡不同，掃描電鏡所成的是電子像，因此隻有黑(hēi)白兩色，并且掃描電鏡的試樣要(yào)求導電，對非導體和(hé)部分半導體需要(yào)噴金(jīn)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(wài)，掃描電鏡圖像景深遠遠大于光(guāng)學顯微(wēi)鏡，是針對金(jīn)相結構、顯微(wēi)斷口以及錫須等不平整樣品的重要(yào)分析方法。
7．X射線能(néng)譜分析
上(shàng)面所說的掃描電鏡一(yī)般都(dōu)配有X射線能(néng)譜儀。當高能(néng)的電子束撞擊樣品表面時(shí)，表面物(wù)質的原子中的內(nèi)層電子被轟擊逸出，外(wài)層電子向低(dī)能(néng)級躍遷時(shí)就會激發出特征X射線，不同元素的原子能(néng)級差不同而發出的特征X射線就不同，因此，可(kě)以将樣品發出的特征X射線作(zuò)為(wèi)化學成分分析。同時(shí)按照檢測X射線的信号為(wèi)特征波長(cháng)或特征能(néng)量又将相應的儀器分别叫波譜分散譜儀（簡稱波譜儀，WDS）和(hé)能(néng)量分散譜儀（簡稱能(néng)譜儀，EDS），波譜儀的分辨率比能(néng)譜儀高，能(néng)譜儀的分析速度比波譜儀快(kuài)。由于能(néng)譜儀的速度快(kuài)且成本低(dī)，所以一(yī)般的掃描電鏡配置的都(dōu)是能(néng)譜儀。
随着電子束的掃描方式不同，能(néng)譜儀可(kě)以進行(xíng)表面的點分析、線分析和(hé)面分析，可(kě)得到元素不同分布的信息。點分析得到一(yī)點的所有元素；線分析每次對指定的一(yī)條線做(zuò)一(yī)種元素分析，多次掃描得到所有元素的線分布；面分析對一(yī)個指定面內(nèi)的所有元素分析，測得元素含量是測量面範圍的平均值。
在PCB的分析上(shàng)，能(néng)譜儀主要(yào)用于焊盤表面的成分分析，可(kě)焊性不良的焊盤與引線腳表面污染物(wù)的元素分析。能(néng)譜儀的定量分析的準确度有限，低(dī)于0．1％的含量一(yī)般不易檢出。能(néng)譜與SEM結合使用可(kě)以同時(shí)獲得表面形貌與成分的信息，這(zhè)是它們應用廣泛的原因所在。
8．光(guāng)電子能(néng)譜（XPS）分析
樣品受X射線照射時(shí)，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(néng)Ex，可(kě)得到原子的內(nèi)殼層電子的結合能(néng)Eb，Eb因不同元素和(hé)不同電子殼層而異，它是原子的“指紋”标識參數(shù)，形成的譜線即為(wèi)光(guāng)電子能(néng)譜（XPS）。XPS可(kě)以用來進行(xíng)樣品表面淺表面（幾個納米級）元素的定性和(hé)定量分析。此外(wài)，還可(kě)根據結合能(néng)的化學位移獲得有關元素化學價态的信息。能(néng)給出表面層原子價态與周圍元素鍵合等信息；入射束為(wèi)X射線光(guāng)子束，因此可(kě)進行(xíng)絕緣樣品分析，不損傷被分析樣品快(kuài)速多元素分析；還可(kě)以在氩離子剝離的情況下(xià)對多層進行(xíng)縱向的元素分布分析（可(kě)參見(jiàn)後面的案例），且靈敏度遠比能(néng)譜（EDS）高。XPS在PCB的分析方面主要(yào)用于焊盤鍍層質量的分析、污染物(wù)分析和(hé)氧化程度的分析，以确定可(kě)焊性不良的深層次原因。
9．熱(rè)分析差示掃描量熱(rè)法（Differential Scanning Calorim－etry）
在程序控溫下(xià)，測量輸入到物(wù)質與參比物(wù)質之間(jiān)的功率差與溫度（或時(shí)間(jiān)）關系的一(yī)種方法。DSC在試樣和(hé)參比物(wù)容器下(xià)裝有兩組補償加熱(rè)絲，當試樣在加熱(rè)過程中由于熱(rè)效應與參比物(wù)之間(jiān)出現溫差ΔT時(shí)，可(kě)通(tōng)過差熱(rè)放大電路和(hé)差動熱(rè)量補償放大器，使流入補償電熱(rè)絲的電流發生變化。
而使兩邊熱(rè)量平衡，溫差ΔT消失，并記錄試樣和(hé)參比物(wù)下(xià)兩隻電熱(rè)補償的熱(rè)功率之差随溫度（或時(shí)間(jiān)）的變化關系，根據這(zhè)種變化關系，可(kě)研究分析材料的物(wù)理化學及熱(rè)力學性能(néng)。 DSC的應用廣泛，但(dàn)在PCB的分析方面主要(yào)用于測量PCB上(shàng)所用的各種高分子材料的固化程度、玻璃态轉化溫度，這(zhè)兩個參數(shù)決定着PCB在後續工(gōng)藝過程中的可(kě)靠性。
10．熱(rè)機械分析儀（TMA）
熱(rè)機械分析技術(shù)（Thermal Mechanical Analysis）用于程序控溫下(xià)，測量固體、液體和(hé)凝膠在熱(rè)或機械力作(zuò)用下(xià)的形變性能(néng)，常用的負荷方式有壓縮、針入、拉伸、彎曲等。測試探頭由固定在其上(shàng)面的懸臂梁和(hé)螺旋彈簧支撐，通(tōng)過馬達對試樣施加載荷，當試樣發生形變時(shí)，差動變壓器檢測到此變化，并連同溫度、應力和(hé)應變等數(shù)據進行(xíng)處理後可(kě)得到物(wù)質在可(kě)忽略負荷下(xià)形變與溫度（或時(shí)間(jiān)）的關系。根據形變與溫度（或時(shí)間(jiān)）的關系，可(kě)研究分析材料的物(wù)理化學及熱(rè)力學性能(néng)。TMA的應用廣泛，在PCB的分析方面主要(yào)用于PCB最關鍵的兩個參數(shù)：測量其線性膨脹系數(shù)和(hé)玻璃态轉化溫度。膨脹系數(shù)過大的基材的PCB在焊接組裝後常常會導緻金(jīn)屬化孔的斷裂失效。
由于PCB高密度的發展趨勢以及無鉛與無鹵的環保要(yào)求，越來越多的PCB出現了(le)潤濕不良、爆闆、分層、CAF等等各種失效問(wèn)題。介紹這(zhè)些分析技術(shù)在實際案例中的應用。PCB失效機理與原因的獲得将有利于将來對PCB的質量控制，從(cóng)而避免類似問(wèn)題的再度發生。