As the carrier of various components and the hub of circuit signal transmission, PCB tornou-se a parte mais importante e fundamental dos produtos de informação eletrônica, seu nível de qualidade e confiabilidade determina a qualidade e confiabilidade de todo o equipamento. No entanto, devido a custos e razões técnicas, existem muitos problemas de falha na produção e aplicação de placas de circuito impresso.

Para este tipo de problema de falha, precisamos usar algumas técnicas de análise de falha comumente usadas para garantir o nível de qualidade e confiabilidade do PCB na fabricação. Este documento resume dez técnicas de análise de falha para referência.

Mecanismo e análise de causa de falha de PCB

1. Uma inspeção visual

Appearance inspection is to visually inspect or use some simple instruments, such as stereoscopic microscope, metallographic microscope or even magnifying glass, to check the appearance of PCB and find the failed parts and relevant physical evidence. The main function is to locate the failure and preliminarily judge the failure mode of PCB. A inspeção de aparência verifica principalmente a poluição de PCB, corrosão, a localização da explosão da placa, fiação do circuito e a regularidade da falha, se é em lote ou individual, se está sempre concentrada em uma determinada área, 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 raios-X

Para algumas peças que não podem ser inspecionadas pela aparência, assim como o interior do PCB através do orifício e outros defeitos internos, temos que usar o sistema de fluoroscopia de raios-X para verificar. O sistema de fluoroscopia de raios-X é o uso de diferentes espessuras de material ou diferentes densidades de material de higroscopicidade de raios-X ou transmitância de diferentes princípios para a imagem. Essa tecnologia é mais utilizada para verificar a localização de defeitos em juntas de solda de PCBA, através de furos e defeitos em dispositivos BGA ou CSP com embalagens de alta densidade. 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. Análise de seção

Slice analysis is the process of obtaining PCB cross section structure through sampling, Mosaic, slice, polishing, corrosion, observation and a series of methods and steps. 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; Ao mesmo tempo, o método de requisitos de amostra são elevados, o tempo de preparação da amostra também é longo, a necessidade de pessoal técnico treinado para ser concluído. For detailed slicing procedures, please refer to IPC standards IPC-TM-650 2.1.1 and IPC-MS-810.

4. Microscópio acústico de varredura

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. Neste ponto, o microscópio acústico de varredura mostra sua vantagem especial na detecção não destrutiva de PCB de alta densidade multicamadas. The general obvious bursting plate can be detected by visual inspection.

5. Análise Microinfrared

A análise de micro infravermelho é a espectroscopia de infravermelho combinada com o método de análise de microscópio, ele usa material diferente (principalmente matéria orgânica) no princípio da absorção do espectro infravermelho, analisando a composição composta dos materiais, juntamente com o microscópio pode fazer luz visível e luz infravermelha com o caminho da luz, enquanto sob o campo visual, pode procurar análise de traços de poluentes orgânicos. Na ausência de um microscópio, a espectroscopia de infravermelho geralmente pode analisar apenas grandes amostras. 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. Análise de microscopia eletrônica de varredura

O microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um dos sistemas de imagem de microscopia eletrônica de grande escala mais úteis para análise de falhas. Seu princípio de funcionamento é formar um feixe de elétrons com diâmetro de dezenas a milhares de angstroms (A), focalizando o feixe de elétrons emitido do cátodo acelerado pelo ânodo. Sob a ação de deflexão da bobina de varredura, O feixe de elétrons varre a superfície da amostra ponto a ponto em uma determinada ordem de tempo e espaço. O feixe de elétrons de alta energia bombardeia a superfície da amostra e gera uma variedade de informações, que podem ser coletadas e amplificadas para obter vários gráficos correspondentes na tela de exibição. 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. Os elétrons retroespalhados excitados são gerados na faixa de 100 ~ 1000nm na superfície da amostra e emitem características diferentes com a diferença do número atômico da substância. Portanto, a imagem retroespalhada de elétrons tem características morfológicas e capacidade de discriminação do número atômico e, portanto, a imagem retroespalhada de elétrons pode refletir a distribuição de elementos químicos. O presente microscópio eletrônico de varredura tem sido muito poderoso, qualquer estrutura fina ou características de superfície podem ser ampliadas para centenas de milhares de vezes para observação e análise.

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. Além disso, a profundidade de campo da imagem do microscópio eletrônico de varredura é muito maior do que a do microscópio óptico, que é um método importante para a análise da estrutura metalográfica, fratura microscópica e bigodes de estanho.

7. X-ray energy spectrum analysis

A microscopia eletrônica de varredura mencionada acima é geralmente equipada com um espectrômetro de energia de raios-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. Ao mesmo tempo, os instrumentos correspondentes são respectivamente chamados de espectrômetro de dispersão de espectro (abreviação WDS) e espectrômetro de dispersão de energia (abreviação EDS) de acordo com o comprimento de onda característico ou energia característica da detecção do sinal de raios-X. A resolução do espectrômetro é maior do que a do espectrômetro de energia e a velocidade de análise do espectrômetro de energia é mais rápida do que a do espectrômetro de energia. Por causa da alta velocidade e baixo custo dos espectrômetros de energia, a microscopia eletrônica de varredura geral é equipada com espectrômetros de energia.

With the different scanning mode of electron beam, the energy spectrometer can analyze the point, line and plane of the surface, and obtain the information of different distribution of elements.Point analysis yields all elements of a point; Análise de linha Uma análise de elemento é realizada em uma linha especificada a cada vez, e a distribuição de linha de todos os elementos é obtida por varredura múltipla. Análise de superfície A análise de todos os elementos em uma determinada superfície. O conteúdo do elemento medido é a média da faixa de medições da superfície.

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. A precisão da análise quantitativa do espectrômetro de energia é limitada e o conteúdo inferior a 0.1% geralmente não é fácil de detectar. A combinação do espectro de energia e SEM pode obter as informações da morfologia e composição da superfície simultaneamente, razão pela qual são amplamente utilizados.

8. Análise de espectroscopia de fotoelétrons (XPS)

Amostras por irradiação de raios X, a superfície dos elétrons da camada interna do átomo vai escapar da ligação do núcleo e formando a superfície sólida, medindo sua energia cinética do Ex, os elétrons da camada interna do átomo podem ser obtidos a energia de ligação de Eb, Eb variam de diferentes elementos e diferentes camadas de elétrons, são as “impressões digitais” dos parâmetros de identificação do átomo, a formação da linha espectral é a espectroscopia de fotoelétrons (XPS). O XPS pode ser usado para análise qualitativa e quantitativa de elementos na superfície rasa (vários nanômetros) da superfície da amostra. Além disso, as informações sobre os estados de valência química dos elementos podem ser obtidas a partir das mudanças químicas da energia de ligação. Ele pode fornecer a informação da ligação entre o estado de valência da camada superficial e os 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; Multilayers can also be analyzed longitudinally by argon ion stripping (see the case below) with far greater sensitivity than energy spectrum (EDS). XPS é usado principalmente na análise de análise de qualidade de revestimento de PCB, análise de poluição e análise de grau de oxidação, a fim de determinar a razão profunda de soldabilidade pobre.

9. Differential Scanning Calorim-etry

Um método para medir a diferença na entrada de energia entre uma substância e uma substância de referência em função da temperatura (ou tempo) sob controle 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)

Thermal Mechanical Analysis is used to measure the deformation properties of solids, liquids and gels under Thermal or Mechanical forces under programmed temperature control. Commonly used load methods include compression, pin insertion, stretching, bending, etc. Test probe consists of fixed on the cantilever beam and helical spring support, through the motor of the applied load, when the specimen deformation occurs, differential transformer to detect the change, and together with the data processing, such as temperature, stress and strain after the material can be obtained under the negligible load deformation relations with temperature (or time). According to the relationship between deformation and temperature (or time), the physicochemical and thermodynamic properties of materials can be studied and analyzed. TMA is widely used in PCB analysis and is mainly used in measuring the two most critical parameters of PCB: linear expansion coefficient and glass transition temperature. PCB with too large expansion coefficient will often lead to fracture failure of metallized holes after welding and assembly.