在電子信息產(chǎn)品中，PCB作為元器件的載體與電路信號傳輸?shù)年P(guān)鍵樞紐，其質(zhì)量與可靠性對整機(jī)設(shè)備起著決定性作用。隨著產(chǎn)品小型化及環(huán)保要求的提升，PCB正向高密度、高Tg和環(huán)保方向發(fā)展。然而，受成本和技術(shù)限制，PCB在生產(chǎn)和應(yīng)用中常出現(xiàn)失效，引發(fā)質(zhì)量糾紛。為查明原因、解決問題并明確責(zé)任，失效分析成為必不可少的環(huán)節(jié)。

失效分析流程

1. 失效定位

失效分析的首要任務(wù)是基于失效現(xiàn)象，通過一系列基礎(chǔ)檢測手段確定失效部位與失效模式。

這包括對PCB進(jìn)行全面的信息收集，如生產(chǎn)批次、使用環(huán)境、歷史故障記錄等；進(jìn)行功能測試，以驗(yàn)證電路的基本功能是否正常；開展電性能測試，檢測電路的電氣參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，進(jìn)行簡單的外觀檢查，觀察PCB表面是否存在明顯的損傷、污染、腐蝕等異常情況。

對于結(jié)構(gòu)簡單的PCB或PCBA（裝有電子元器件的印刷電路板），失效部位相對容易鎖定。但對于采用復(fù)雜封裝形式如BGA（球柵陣列封裝）或MCM（多芯片模塊封裝）的器件或基板，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，缺陷難以直接通過顯微鏡觀察，這就需要借助更先進(jìn)的檢測設(shè)備和技術(shù)手段來輔助確定失效部位。

2. 失效機(jī)理分析

在明確失效部位后，需深入探究導(dǎo)致PCB失效或缺陷產(chǎn)生的機(jī)理。利用多種物理、化學(xué)分析方法，對失效區(qū)域進(jìn)行細(xì)致剖析，確保能夠全面了解失效機(jī)理。常見的失效機(jī)理包括虛焊、污染、機(jī)械損傷、潮濕應(yīng)力、介質(zhì)腐蝕、疲勞損傷、CAF（導(dǎo)電陽極絲）或離子遷移、應(yīng)力過載。通過深入分析失效機(jī)理，能夠?yàn)楹罄m(xù)的失效原因追溯提供關(guān)鍵線索。

3. 失效原因分析

基于失效機(jī)理與制程過程的關(guān)聯(lián)分析，是尋找失效根源的關(guān)鍵步驟。這要求分析人員充分了解PCB的生產(chǎn)工藝流程，包括原材料采購與檢驗(yàn)、基板制造、鉆孔與鍍孔、圖形轉(zhuǎn)移、蝕刻、表面處理、組裝焊接等各個(gè)環(huán)節(jié)。結(jié)合失效機(jī)理，逐一排查各制程環(huán)節(jié)中可能導(dǎo)致失效發(fā)生的因素。在必要時(shí)，還需開展針對性的試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬實(shí)際生產(chǎn)或使用條件，重現(xiàn)失效現(xiàn)象，以精準(zhǔn)鎖定誘導(dǎo)失效的具體原因。

4. 改進(jìn)與報(bào)告編制

失效分析的最終成果是編制一份詳實(shí)、準(zhǔn)確的失效分析報(bào)告。報(bào)告應(yīng)清晰呈現(xiàn)分析過程中的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、觀察到的事實(shí)以及得出的結(jié)論。報(bào)告內(nèi)容需邏輯嚴(yán)密、條理清晰，避免主觀臆斷和憑空想象。在整個(gè)分析過程中，遵循從簡單到復(fù)雜、從外到里、從非破壞性到破壞性的基本原則，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為客戶提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

失效分析技術(shù)

1.光學(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡主要用于PCB的外觀檢查，尋找失效的部位和相關(guān)的物證，初步判斷PCB的失效模式。

外觀檢查主要檢查PCB的污染、腐蝕、爆板的位置、電路布線以及失效的規(guī)律性。

2.X射線（X-ray）

對于一些無法通過外觀檢查直接觀察到的PCB內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷，如通孔內(nèi)部的焊錫填充情況、高密度封裝的BGA或CSP器件的焊點(diǎn)連接狀態(tài)等，X射線透視系統(tǒng)成為不可或缺的檢測手段。

X光透視系統(tǒng)利用不同材料厚度或密度對X光的吸收或透過率差異來成像。在PCBA焊點(diǎn)內(nèi)部缺陷檢測方面，能夠清晰地顯示出焊點(diǎn)內(nèi)部是否存在空洞、錫球、錫渣等缺陷。通過X射線檢測，可以有效彌補(bǔ)光學(xué)顯微鏡在內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測方面的不足，拓展失效分析的深度和廣度。

3.切片分析

切片分析是一種破壞性的檢測方法，通過對PCB樣品進(jìn)行取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕等一系列精細(xì)操作，獲得PCB的橫截面結(jié)構(gòu)。借助顯微鏡觀察切片后的橫截面，可以獲得豐富的微觀結(jié)構(gòu)信息，如通孔的孔壁粗糙度、鍍層厚度均勻性、基板內(nèi)部的玻璃纖維分布、樹脂填充情況等。

4.掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM）

C-SAM利用高頻超聲波在材料不連續(xù)界面上反射產(chǎn)生的振幅及位相與極性變化來成像，其掃描方式是沿著Z軸掃描X-Y平面的信息?？梢杂脕頇z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、夾雜物以及空洞等。如果掃描聲學(xué)的頻率寬度足夠的話，還可以直接檢測到焊點(diǎn)的內(nèi)部缺陷。

典型的掃描聲學(xué)的圖像是以紅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工藝中，由有鉛轉(zhuǎn)換成無鉛工藝的過程中，大量的潮濕回流敏感問題產(chǎn)生，即吸濕的塑封器件會(huì)在更高的無鉛工藝溫度下回流時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部或基板分層開裂現(xiàn)象，在無鉛工藝的高溫下普通的PCB也會(huì)常常出現(xiàn)爆板現(xiàn)象。

5. 顯微紅外分析（micro-FTIR）

顯微紅外分析將紅外光譜與顯微鏡結(jié)合在一起的分析方法，利用不同材料（主要是有機(jī)物）對紅外光譜不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再結(jié)合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路，只要在可見的視場下，就可以尋找要分析微量的有機(jī)污染物。

顯微紅外分析的主要用途就是分析被焊面或焊點(diǎn)表面的有機(jī)污染物，分析腐蝕或可焊性不良的原因。

6. 掃描電子顯微鏡分析（SEM）

掃描電子顯微鏡（SEM）是進(jìn)行失效分析的一種最有用的大型電子顯微成像系統(tǒng)，最常用作形貌觀察，任何精細(xì)結(jié)構(gòu)或表面特征均可放大到幾十萬倍進(jìn)行觀察與分析。在PCB或焊點(diǎn)的失效分析方面，SEM主要用作失效機(jī)理的分析，具體包括：

• 觀察焊盤表面的形貌結(jié)構(gòu)；
• 焊點(diǎn)金相組織；
• 測量金屬間化物；
• 可焊性鍍層分析；
• 錫須分析測量。

熱分析技術(shù)

1.差示掃描量熱儀（DSC）

差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry）是在程序控溫下，測量輸入到物質(zhì)與參比物質(zhì)之間的功率差與溫度（或時(shí)間）關(guān)系的一種方法。在PCB的分析方面主要用于測量PCB上所用的各種高分子材料的固化程度、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，這兩個(gè)參數(shù)決定著PCB在后續(xù)工藝過程中的可靠性。

2.熱機(jī)械分析儀（TMA）

熱機(jī)械分析技術(shù)（Thermal Mechanical Analysis）用于程序控溫下，測量固體、液體和凝膠在熱或機(jī)械力作用下的形變性能。在PCB的分析方面主要用于PCB最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)：測量其線性膨脹系數(shù)和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。膨脹系數(shù)過大的基材的PCB在焊接組裝后常常會(huì)導(dǎo)致金屬化孔的斷裂失效。

3.熱重分析儀（TGA）

熱重法（Thermogravimetry Analysis）是在程序控溫下，測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度（或時(shí)間）的變化關(guān)系的一種方法。在PCB的分析方面，主要用于測量PCB材料的熱穩(wěn)定性或熱分解溫度，如果基材的熱分解溫度太低，PCB在經(jīng)過焊接過程的高溫時(shí)將會(huì)發(fā)生爆板或分層失效現(xiàn)象。

結(jié)語

失效分析是一門系統(tǒng)科學(xué)，更是一種“偵破”藝術(shù)。只有遵循科學(xué)的程序，善用從宏觀到微觀、從無損到破壞的分析手段，才能在面對高密度、無鉛無鹵化的PCB時(shí)，迅速鎖定真因，提出有效對策，最終實(shí)現(xiàn)整機(jī)質(zhì)量與可靠性的持續(xù)提升。