电子组装工艺失效分析技术

电子组装工艺失效分析技术

转自：嘉峪检测网

失效分析是电子组装工艺可靠性工作中的一项重要内容，开展电子工艺失效分析工作必须具备一定的测试与分析设备。失效分析包括失效情况的调查分析、失效模式的鉴别、失效特征的描述、假设和确定失效模式，以及提出纠正措施和预防新失效的发生等。

电子组装工艺的失效分析是对根据性能失效判定为失效的焊点、过孔、走线等于组装工艺有关的失效现象进行事后检查和分析工作，目的是发现并确定组装工艺有关的失效原因和机理，要反馈给设计、制造和使用方，防止失效的再次发生，达到提高电子产品工艺可靠性的目的，作用如下： 

 （1）通过失效分析，改进硬件设计、工艺设计及可靠性应用的理论和方法。

 （2）通过失效分析找到引起失效的物理现象，得到可靠性预测的模型。

 （3）为可靠性试验（加速寿命和筛选试验）条件提供理论依据和实际分析手段。

 （4）在处理中若为工艺问题，确定是否为批量性问题，为是否需要批次性召回和报废提供依据。

 （5）通过失效分析的改善纠正措施，提高产品良率和可靠性，减少产品运行故障，获得一定的经济效益。

电子组装工艺失效分析技术与方法主要有：外观检查、金相切片分析、光学显微镜分析技术、红外显微镜分析技术、声学显微镜分析技术、扫描电子显微镜技术、电子束测试技术、x-射线分析技术及染色与渗透分析技术。本章将重点介绍电子组装工艺失效分析中经常使用的分析技术的原理、方法。

1、外观检查

外观检查主要是分析外观缺陷，目的是记录PCB、元器件和焊点等物理尺寸、材料、设计、结构和标记，确认外观的破损，检测污染等异常和缺陷，这些问题都是工艺制造或应用中造成的错误、过负载和操作失误的证据，很可能与失效是相关的。外观检查通常采用目检，也可以用1.5 ~ 10倍的放大镜或光学显微镜。外观检查要特别注意以下几方面内容的检查： 

（1） 机械损伤

（2） 器件密封缺陷

（3） 器件引脚镀层缺陷

（4） PCB表面的污染或黏附物

（5） PCB的分层和爆裂等

（6） 器件的热损伤或电器损伤情况

（7） PCB焊盘表面处理异常

（8） 焊点缺陷

2、金相切片分析

金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。金相样品制备流程： 

（1）试样选取部位确定及截取方式：选择取样部位及检验面，此过程综合考虑样品的特点及加工工艺，且选取部位需具有代表性

（2）镶嵌：取金相切片专用模具，将试样直立与模内，让待检部位朝上。取一纸杯将冷埋树脂（固态）与固化剂（液态）按2:1体积比混合，搅拌均匀，倒入模内，直到样品完全浸没，将模具静置10-20min，待树脂完全固化。

（3）试样粗磨：粗磨的目的是平整试样，磨成合适的形状。待固化完全后，先将较粗的金相砂纸将样品磨至接近待检部位，在按金相专用砂纸目数有小到大的顺序进行粗磨和细磨。

（4）试样精磨：精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的划痕，为抛光做准备。对于一般的材料磨制方法分为手工磨制和机械磨制两种。

（5）试样抛光：抛光的目的是把磨光留下的细微磨痕去除，成为光亮无痕的镜面。一般分为机械抛光、化学抛光、电解抛光三种，而最常用的为机械抛光。抛光粉粒径约为0.05um

（6）试样微蚀：显微镜下观察到抛光样品的组织必须进行金相腐蚀。腐蚀的方法很多种，主要有化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀，而最常用的为化学腐蚀，用微蚀溶液为浓氨水和30%的双氧水按体积比9:1的比例混合）对待检表面进行涂抹处理，时间约为10s,然后用清水将表面清洗干净，吹干。

（7）观测：根据待检部位具体情况，选择适当的放大倍数，直到能够清晰观察到真实图像。

3、分析技术

X射线分析技术是一种借助X射线来识别原子种类的高技术。X射线是一种波长短、能量高的电磁波。当用X射线照射物质时，除发生散射和吸收现象外，还会造成原子内的电子发生电离，内层轨道的电子脱离原子，形成一个空位，使原子处于“激发态”，这样外层电子就会自动向内层跳去，填补这个空位，从而发射出一定能量的X射线。由于它的波长和能量与原来照射的X射线不同，科学家将其称为次级X射线，又叫X射线荧光。

X光透射系统就是利用不同材料厚度或不同材料密度对X光的吸收或透过率的不同原理成像，用来检查焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷、高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位，同时也可检查PCB内部缺陷等等。X-ray 分析是一种无损检测分析技术。

4、光学显微镜分析技术

光学显微镜是进行电子元器件、半导体器件和集成电路失效分析的主要工具之一。主要有立体显微镜和金相显微镜。两者结合起来使用，可用来进行器件外观以及失效部位的表面形状、分布、尺寸、组织、结构、缺陷和应力等观察，如观察分析芯片在过电应力下的各种烧毁与击穿现象、引线内外键和、芯片裂缝、玷污、划伤、氧化层缺陷及金属层腐蚀等情况。

立体显微镜放大倍数较低，从几倍到上百倍，但景深大。金相显微镜放大倍数较高，从几十倍到一千多倍，但景深较小。两者除了放大倍数不同外，其结构、成像原理及使用方法基本相似。均是用目镜和物镜组合来成像的，立体显微镜一般称正像，金相显微镜所成的像是倒像。像的放大倍数是目镜和物镜两者放大倍数之积。立体显微镜和金相显微镜均有入射和透射两种照相方式，并配有一些辅助装置，可提供明场、暗场、微分干涉相衬和偏振等观察手段，以适应不同观察的需要。

5、声学显微镜分析技术

声学显微镜:scanning Acoustic Microscope, 目前，声学显微镜已成为无损检测技术中发展最快的技术之一，主要是针对半导体器件 ,芯片,材料内部的失效分析。其可以检查到:1.材料内部的晶格结构,杂质颗粒．夹杂物．沉淀物．2. 内部裂纹. 3.分层缺陷.4.空洞,气泡,空隙等。

主要包括三种声学显微镜：扫描激光声学显微镜（scanning Laser Acoustic Microscope,SLAM; 扫描声学显微镜（Scanning Acoustic Microscope, SAM; C型扫描声学显微镜（C-Mode Scanning Acoustic Microscope, C-SAM）.从观察物体的深度来说，每一类型声学显微镜都用其自己的应用区域。如SLAM能观察到样品内部所有区域，C-SAM能观察到样品表面以下几毫米的区域，而SAM则只能观察到样品表面几微米的区域。

图：扫描声学显微镜原理

 C-SAM是一种反射式扫描声学显微镜，是无损检测技术中一项重要的技术。它是利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的振幅及相位与极性变化来成像，其扫描方式是沿着Z轴扫描X-Y平面的信息。内部造影原理为电能经由聚焦转换镜产生超声波触击在待测物品上，将声波在不同接口上反射或穿透讯号接收后影像处理，再以影像及讯号加以分析。

C-SAM即最利用此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收之讯号变化将之成像。因此，只要被检测的IC上表面或内部芯片构装材料的接口有脱层、气孔、裂缝…等缺陷时，即可由C-SAM影像得知缺陷之相对位置。

目前用于电子封装或组装分析的主要是C模式的超声波扫描声学显微镜，典型的扫描声学的图像是以红色的警示色表示缺陷的存在，如上图。

由于大量的塑封元器件在SMT工艺中的应用，在有铅工艺转换无铅工艺的过程中，由于器件潮敏问题，即湿的塑封器件在更高的无铅回流温度条件下，易出现内部分层开裂现象。PCB板也易出现爆板现象，此时，扫描声学显微镜就凸显出无损探伤分析技术的优势。

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