Como portador de varios componentes y centro de transmisión de señales de circuito, PCB se ha convertido en la parte más importante y clave de los productos de información electrónica, su nivel de calidad y confiabilidad determina la calidad y confiabilidad de todo el equipo. Sin embargo, debido a razones técnicas y de costo, existen muchos problemas de fallas en la producción y aplicación de PCB.

Para este tipo de problema de falla, necesitamos utilizar algunas técnicas de análisis de fallas de uso común para garantizar el nivel de calidad y confiabilidad de la PCB en la fabricación. Este documento resume diez técnicas de análisis de fallas como referencia.

Análisis de mecanismo y causa de falla de PCB

1. Una inspección visual

La inspección de apariencia consiste en inspeccionar visualmente o utilizar algunos instrumentos simples, como un microscopio estereoscópico, un microscopio metalográfico o incluso una lupa, para verificar la apariencia de PCB y encontrar las piezas defectuosas y la evidencia física relevante. La función principal es localizar la falla y juzgar preliminarmente el modo de falla de la PCB. La inspección de apariencia verifica principalmente la contaminación de PCB, la corrosión, la ubicación de la explosión de la placa, el cableado del circuito y la regularidad de la falla, si es por lotes o individual, si siempre está concentrada en un área determinada, etc. In addition, the failure of many PCBS was discovered after the assembly of PCBA. Whether the failure was caused by the influence of the assembly process and materials used in the process also requires careful examination of the characteristics of the failure area.

2. Fluoroscopia de rayos X

Para algunas partes que no pueden ser inspeccionadas por la apariencia, así como el interior del orificio pasante de la PCB y otros defectos internos, tenemos que usar un sistema de fluoroscopia de rayos X para verificar. El sistema de fluoroscopia de rayos X es el uso de diferentes espesores de material o diferentes densidades de material de higroscopicidad de rayos X o transmitancia de diferentes principios a la formación de imágenes. Esta tecnología se utiliza más para verificar la ubicación de defectos en juntas de soldadura PCBA, defectos de orificios pasantes y defectos en dispositivos BGA o CSP con empaquetamiento de alta densidad. At present, the resolution of industrial X-ray fluoroscopy equipment can reach less than one micron, and is changing from two dimensional to three dimensional imaging equipment. There are even five dimensional (5D) equipment used for packaging inspection, but this 5D X-ray fluoroscopy system is very expensive, and rarely has practical application in the industry.

3. Análisis de sección

El análisis de corte es el proceso de obtener la estructura de la sección transversal de PCB a través de muestreo, mosaico, corte, pulido, corrosión, observación y una serie de métodos y pasos. Abundant information about the microstructure of PCB (through hole, coating, etc.) can be obtained by slice analysis, which provides a good basis for the next quality improvement. However, this method is destructive, once the slice is carried out, the sample will inevitably be destroyed; Al mismo tiempo, el método de los requisitos de la muestra es alto, el tiempo de preparación de la muestra también es largo, la necesidad de personal técnico capacitado para completar. For detailed slicing procedures, please refer to IPC standards IPC-TM-650 2.1.1 and IPC-MS-810.

4. Microscopio acústico de barrido

At present, c-mode ultrasonic scanning acoustic microscope is mainly used for electronic packaging or assembly analysis. It makes use of the amplitude, phase and polarity changes generated by the reflection of high-frequency ultrasound on the discontinuous interface of materials to image, and its scanning mode is to scan the information in the X-Y plane along the Z-axis. Therefore, scanning acoustic microscopy can be used to detect various defects, including cracks, delamination, inclusions, and voids, in components, materials, and PCB and PCBA. Internal defects of solder joints can also be directly detected if the frequency width of scanning acoustics is sufficient. Of a typical scanning acoustic image in color red alert said defects exist, because a large amount of plastic packaging components used in SMT process, by a lead into the process of lead-free technology, a large number of moisture reflow sensitive problem, namely the moisture absorption of powder coating devices will be at a higher temperature reflow lead-free process occurs within or substrate layer cracking phenomenon, Under the high temperature of lead-free process, common PCB will often burst board phenomenon. En este punto, el microscopio acústico de barrido muestra su ventaja especial en la detección no destructiva de PCB multicapa de alta densidad. The general obvious bursting plate can be detected by visual inspection.

5. Análisis microinfrarrojos

El análisis de micro infrarrojos es una espectroscopia de infrarrojos combinada con el método de análisis de microscopio, utiliza diferentes materiales (principalmente materia orgánica) según el principio de la absorción del espectro infrarrojo, analizando la composición compuesta de los materiales, junto con el microscopio puede hacer luz visible y luz infrarroja con la trayectoria de la luz, siempre que esté bajo el campo visual, puede buscar análisis de trazas de contaminantes orgánicos. En ausencia de un microscopio, la espectroscopia infrarroja generalmente puede analizar solo muestras grandes. In many cases, trace pollution in electronic process can lead to poor weldability of PCB pad or lead pin. It can be imagined that it is difficult to solve the process problem without the matching infrared spectrum of microscope. The main use of microscopic infrared analysis is to analyze the organic pollutants on the welding surface or solder spot surface, and analyze the causes of corrosion or poor solderability.

6. Análisis de microscopía electrónica de barrido

El microscopio electrónico de barrido (SEM) es uno de los sistemas de obtención de imágenes de microscopio electrónico a gran escala más útiles para el análisis de fallos. Su principio de funcionamiento es formar un haz de electrones con un diámetro de decenas a miles de angstroms (A) enfocando el haz de electrones emitido por el cátodo acelerado por el ánodo. Bajo la acción de la deflexión de la bobina de exploración, El haz de electrones escanea la superficie de la muestra punto por punto en un cierto orden de tiempo y espacio. El haz de electrones de alta energía bombardea la superficie de la muestra y genera una variedad de información, que se puede recopilar y amplificar para obtener varios gráficos correspondientes en la pantalla de visualización. The excited secondary electrons are generated within the range of 5 ~ 10nm on the surface of the sample. Therefore, the secondary electrons can better reflect the surface topography of the sample, so they are most commonly used for morphology observation. Los electrones retrodispersados ​​excitados se generan en el rango de 100 ~ 1000 nm en la superficie de la muestra y emiten diferentes características con la diferencia del número atómico de la sustancia. Por lo tanto, la imagen de electrones retrodispersados ​​tiene características morfológicas y capacidad de discriminación de números atómicos y, por lo tanto, la imagen de electrones retrodispersados ​​puede reflejar la distribución de elementos químicos. El presente microscopio electrónico de barrido ha sido muy potente, cualquier estructura fina o característica de la superficie se puede ampliar a cientos de miles de veces para su observación y análisis.

In PCB or solder joint failure analysis, SEM is mainly used for failure mechanism analysis, specifically, is used to observe the surface morphology structure of the pad, solder joint metallographic structure, measurement of intermetallic compounds, solderable coating analysis and tin must be analyzed and measured. Different from the optical microscope, the scanning electron microscope produces electronic images, so it has only black and white colors. Moreover, the sample of the scanning electron microscope is required to conduct electricity, and the non-conductor and part of the semiconductor need to be sprayed with gold or carbon, otherwise the charge will gather on the surface of the sample and affect the sample observation. Además, la profundidad de campo de la imagen del microscopio electrónico de barrido es mucho mayor que la del microscopio óptico, que es un método importante para el análisis de la estructura metalográfica, la fractura microscópica y los bigotes de estaño.

7. X-ray energy spectrum analysis

La microscopía electrónica de barrido mencionada anteriormente suele estar equipada con un espectrómetro de energía de rayos X. When the high-energy electron beam hit the surface, the surface material of the inner electrons in the atoms are bombarded escape, outer electrons to low energy level transition will inspire characteristic X ray, atomic energy level difference of different elements from different characteristic X ray is different, therefore, can send sample of the characteristics of X-ray as chemical composition analysis. Al mismo tiempo, los instrumentos correspondientes se denominan respectivamente espectrómetro de dispersión de espectro (WDS para abreviar) y espectrómetro de dispersión de energía (EDS para abreviar) según la longitud de onda característica o la energía característica de la detección de la señal de rayos X. La resolución del espectrómetro es mayor que la del espectrómetro de energía y la velocidad de análisis del espectrómetro de energía es más rápida que la del espectrómetro de energía. Debido a la alta velocidad y el bajo costo de los espectrómetros de energía, la microscopía electrónica de ESCANEADO general está equipada con espectrómetros de energía.

Con el modo de escaneo diferente del haz de electrones, el espectrómetro de energía puede analizar el punto, la línea y el plano de la superficie y obtener la información de diferentes distribuciones de elementos.Point analysis yields all elements of a point; Análisis de línea El análisis de un elemento se realiza en una línea específica cada vez, y la distribución de línea de todos los elementos se obtiene mediante escaneo múltiple. Análisis de superficie El análisis de todos los elementos en una superficie dada. El contenido de elementos medidos es el promedio del rango de mediciones de superficie.

In the analysis of PCB, energy dispersive spectrometer is mainly used for the composition analysis of pad surface, and the elemental analysis of contaminants on the surface of pad and lead pin with poor solderability. La precisión del análisis cuantitativo del espectrómetro de energía es limitada y, por lo general, el contenido inferior al 0.1% no es fácil de detectar. La combinación de espectro de energía y SEM permite obtener la información de la morfología y composición de la superficie de manera simultánea, razón por la cual son ampliamente utilizados.

8. Análisis de espectroscopia de fotoelectrones (XPS)

Muestras por irradiación de rayos X, la superficie de los electrones de la capa interna del átomo escapará de la esclavitud del núcleo y se formará la superficie sólida, midiendo su energía cinética Ex, los electrones de la capa interna del átomo se pueden obtener la energía de enlace de Eb, Eb varió de diferentes elementos y diferentes capas de electrones, son las “huellas dactilares” de los parámetros de identificación del átomo, la formación de la línea espectral es la espectroscopia de fotoelectrones (XPS). El XPS se puede utilizar para el análisis cualitativo y cuantitativo de elementos en una superficie poco profunda (varios nanómetros) de la superficie de la muestra. Además, se puede obtener información sobre los estados de valencia química de los elementos a partir de los cambios químicos de la energía de enlace. Puede dar la información del vínculo entre el estado de valencia de la capa superficial y los elementos circundantes. The incident beam is X-ray photon beam, so insulation sample analysis can be carried out, without damaging the analyzed sample rapid multi-element analysis; Las multicapas también se pueden analizar longitudinalmente mediante extracción de iones de argón (ver el caso a continuación) con una sensibilidad mucho mayor que el espectro de energía (EDS). XPS se utiliza principalmente en el análisis de la calidad del recubrimiento de PCB, análisis de contaminación y análisis del grado de oxidación, con el fin de determinar la razón profunda de la mala soldabilidad.

9. Differential Scanning Calorim-etry

Método para medir la diferencia en la entrada de energía entre una sustancia y una sustancia de referencia en función de la temperatura (o el tiempo) bajo control de temperatura programado. DSC is equipped with two groups of compensation heating wire under the sample and reference container, when the sample in the heating process due to the thermal effect and reference temperature difference δ T, through the differential heat amplifier circuit and differential heat compensation amplifier, so that the current flowing into the compensation heating wire changes.

The temperature difference δ T disappears, and the relationship between the difference of the thermal power of the two electrically compensated samples and the reference material with temperature (or time) is recorded. According to this relationship, the physicochemical and thermodynamic properties of the material can be studied and analyzed. DSC is widely used in PCB analysis, but is mainly used to measure the curing degree of various polymer materials used in PCB and glass state transformation temperature, these two parameters determine the reliability of PCB in the subsequent process.

10. Thermomechanical analyzer (TMA)

El análisis mecánico térmico se utiliza para medir las propiedades de deformación de sólidos, líquidos y geles bajo fuerzas térmicas o mecánicas bajo control de temperatura programado. Los métodos de carga comúnmente utilizados incluyen compresión, inserción de pasadores, estiramiento, flexión, etc. La sonda de prueba consiste en fijarse en la viga en voladizo y soporte de resorte helicoidal, a través del motor de la carga aplicada, cuando se produce la deformación de la muestra, transformador diferencial para detectar el cambio, y junto con el procesamiento de datos, como temperatura, tensión y deformación posterior. el material puede obtenerse bajo las despreciables relaciones de deformación de la carga con la temperatura (o el tiempo). Según la relación entre deformación y temperatura (o tiempo), se pueden estudiar y analizar las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas de los materiales. TMA se usa ampliamente en el análisis de PCB y se usa principalmente para medir los dos parámetros más críticos de PCB: coeficiente de expansión lineal y temperatura de transición vítrea. Los PCB con un coeficiente de expansión demasiado grande a menudo conducirán a fallas por fractura de los orificios metalizados después de la soldadura y el ensamblaje.