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很是实用的PCB失效剖析技术大全

作为种种元器件的载体与电路信号传输的枢纽  ,PCB已经成为电子信息产品的最为重要而要害的部分  ,其质量的优劣与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性 。可是由于本钱以及技术的原因  ,PCB在生产和应用历程中泛起了大宗的失效问题 。 

    关于这种失效问题  ,我们需要用到一些常用的失效剖析技术  ,来使得PCB在制造的时候质量和可靠性水平获得一定的包管  ,本文总结了十大失效剖析技术  ,供参考借鉴 。 

    1.外观检查 

    外观检查就是目测或利用一些简单仪器  ,如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB的外观  ,寻找失效的部位和相关的物证  ,主要的作用就是失效定位和开端判断PCB的失效模式 。外观检查主要检查PCB的污染、腐化、爆板的位置、电路布线以及失效的纪律性、如是批次的或是个体  ,是不是总是集中在某个区域等等 。另外  ,有许多PCB的失效是在组装成PCBA后才发明  ,是不是组装工艺历程以及历程所用质料的影响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征 。 

    2.X射线透视检查 

    关于某些不可通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷  ,只好使用X射线透视系统来检查 。X光透视系统就是利用差别质料厚度或是差别质料密度对X光的吸湿或透过率的差别原理来成像 。 该技术更多地用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷和高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位 。目前的工业X光透视设备的区分率可以抵达一个微米以下  ,并正由二维向三维成像的设备转变  ,甚至已经有五维(5D)的设备用于封装的检查  ,可是这种5D的X光透视系统很是珍贵  ,很少在工业界有实际的应用 。 

    3.切片剖析 

    切片剖析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐化、视察等一系列手段和办法获得PCB横截面结构的历程 。通过切片剖析可以获得反应PCB(通孔、镀层等)质量的微观结构的富厚信息  ,为下一步的质量革新提供很好的依据 。可是该要领是破坏性的  ,一旦进行了切片  ,样品就一定遭到破坏;同时该要领制样要求高  ,制样耗时也较长  ,需要训练有素的技术人员来完成 。要求详细的切片作业历程  ,可以参考IPC的标准IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810划定的流程进行 。 

    4.扫描声学显微镜 

    目前用于电子封装或组装剖析的主要是C模式的超声扫描声学显微镜  ,它是利用高频超声波在质料不连续界面上反射爆发的振幅及位相与极性变革来成像  ,其扫描方法是沿着Z轴扫描X-Y平面的信息 。因此  ,扫描声学显微镜可以用来检测元器件、质料以及PCB与PCBA内部的种种缺陷  ,包括裂纹、分层、夹杂物以及空洞等 。如果扫描声学的频率宽度足够的话  ,还可以直接检测到焊点的内部缺陷 。典范的扫描声学的图像是以红色的警示色体现缺陷的保存  ,由于大宗塑料封装的元器件使用在SMT工艺中  ,由有铅转换成无铅工艺的历程中  ,大宗的湿润回流敏感问题爆发  ,即吸湿的塑封器件会在更高的无铅工艺温度下回流时泛起内部或基板分层开裂现象  ,在无铅工艺的高温下普通的PCB也会经常泛起爆板现象 。此时  ,扫描声学显微镜就凸现其在多层高密度PCB无损探伤方面的特别优势 。而一般的明显的爆板则只需通过目测外观就能检测出来 。 

    5.显微红外剖析 

    显微红外剖析就是将红外光谱与显微镜结合在一起的剖析要领  ,它利用差别质料(主要是有机物)对红外光谱差别吸收的原理  ,剖析质料的化合物身分  ,再结合显微镜可使可见光与红外光同光路  ,只要在可见的视场下  ,就可以寻找要剖析微量的有机污染物 。如果没有显微镜的结合  ,通常红外光谱只能剖析样品量较多的样品 。而电子工艺中许多情况是微量污染就可以导致PCB焊盘或引线脚的可焊性不良  ,可以想象  ,没有显微镜配套的红外光谱是很难解决工艺问题的 。显微红外剖析的主要用途就是剖析被焊面或焊点外貌的有机污染物  ,剖析腐化或可焊性不良的原因 。 

    6.扫描电子显微镜剖析 

    扫描电子显微镜(SEM)是进行失效剖析的一种最有用的大型电子显微成像系统  ,其事情原理是利用阴极发射的电子束经阳极加速  ,由磁透镜聚焦后形成一束直径为几十至几千埃(A)的电子束流  ,在扫描线圈的偏转作用下  ,电子束以一准时间和空间顺序在试样外貌作逐点式扫描运动  ,这束高能电子束轰击到样品外貌上会引发出多种信息  ,经过收集放大就能从显示屏上获得种种相应的图形 。引发的二次电子爆发于样品外貌5~10nm规模内  ,因而  ,二次电子能够较好的反应样品外貌的形貌  ,所以最常用作形貌视察;而引发的背散射电子则爆发于样品外貌100~1000nm规模内  ,随着物质原子序数的差别而发射差别特征的背散射电子  ,因此背散射电子图象具有形貌特征和原子序数判别的能力  ,也因此  ,背散射电子像可反应化学元素身分的漫衍 。现时的扫描电子显微镜的功效已经很强大  ,任何精细结构或外貌特征均可放大到几十万倍进行视察与剖析 。 

    在PCB或焊点的失效剖析方面  ,SEM主要用来作失效机理的剖析  ,具体说来就是用来视察焊盘外貌的形貌结构、焊点金相组织、丈量金属间化物、可焊性镀层剖析以及做锡须剖析丈量等 。与光学显微镜差别  ,扫描电镜所成的是电子像  ,因此只有黑白两色  ,并且扫描电镜的试样要求导电  ,对非导体和部分半导体需要喷金或碳处理  ,不然电荷聚集在样品外貌就影响样品的视察 。别的  ,扫描电镜图像景深远远大于光学显微镜  ,是针对金相结构、显微断口以及锡须等不平整样品的重要剖析要领 。 

    7.X射线能谱剖析 

    上面所说的扫描电镜一般都配有X射线能谱仪 。当高能的电子束撞击样品外貌时  ,外貌物质的原子中的内层电子被轰击逸出  ,外层电子向低能级跃迁时就会引发出特征X射线  ,差别元素的原子能级差差别而发出的特征X射线就差别  ,因此  ,可以将样品发出的特征X射线作为化学身分剖析 。同时凭据检测X射线的信号为特征波长或特征能量又将相应的仪器划分叫波谱疏散谱仪(简称波谱仪  ,WDS)和能量疏散谱仪(简称能谱仪  ,EDS)  ,波谱仪的区分率比能谱仪高  ,能谱仪的剖析速度比波谱仪快 。由于能谱仪的速度快且本钱低  ,所以一般的扫描电镜配置的都是能谱仪 。 

    随着电子束的扫描方法差别  ,能谱仪可以进行外貌的点剖析、线剖析和面剖析  ,可获得元素差别漫衍的信息 。点剖析获得一点的所有元素;线剖析每次对指定的一条线做一种元素剖析  ,多次扫描获得所有元素的线漫衍;面剖析对一个指定面内的所有元素剖析  ,测得元素含量是丈量面规模的平均值 。 

    在PCB的剖析上  ,能谱仪主要用于焊盘外貌的身分剖析  ,可焊性不良的焊盘与引线脚外貌污染物的元素剖析 。能谱仪的定量剖析的准确度有限  ,低于0.1%的含量一般不易检出 。能谱与SEM结合使用可以同时获得外貌形貌与身分的信息  ,这是它们应用广泛的原因所在 。 

    8.光电子能谱(XPS)剖析 

    样品受X射线照射时  ,外貌原子的内壳层电子会脱离原子核的束缚而逸出固体外貌形成电子  ,丈量其动能Ex,可获得原子的内壳层电子的结合能Eb,Eb因差别元素和差别电子壳层而异  ,它是原子的“指纹”标识参数  ,形成的谱线即为光电子能谱(XPS) 。XPS可以用来进行样品外貌浅外貌(几个纳米级)元素的定性和定量剖析 。别的  ,还可凭据结合能的化学位移获得有关元素化学价态的信息 。能给出外貌层原子价态与周围元素键合等信息;入射束为X射线光子束  ,因此可进行绝缘样品剖析  ,不损伤被剖析样品快速多元素剖析;还可以在氩离子剥离的情况下对多层进行纵向的元素漫衍剖析(可拜见后面的案例)  ,且灵敏度远比能谱(EDS)高 。XPS在PCB的剖析方面主要用于焊盘镀层质量的剖析、污染物剖析和氧化水平的剖析  ,以确定可焊性不良的深条理原因 。 

    9.热剖析差示扫描量热法(Differential Scanning Calorim-etry) 

    在程序控温下  ,丈量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度(或时间)关系的一种要领 。DSC在试样和参比物容器下装有两组赔偿加热丝  ,当试样在加热历程中由于热效应与参比物之间泛起温差ΔT时  ,可通过差热放大电路和差动热量赔偿放大器  ,使流入赔偿电热丝的电流爆发变革 。 

    而使两边热量平衡  ,温差ΔT消失  ,并纪录试样和参比物下两只电热赔偿的热功率之差随温度(或时间)的变革关系  ,凭据这种变革关系  ,可研究剖析质料的物理化学及热力学性能 。 DSC的应用广泛  ,但在PCB的剖析方面主要用于丈量PCB上所用的种种高分子质料的固化水平、玻璃态转化温度  ,这两个参数决定着PCB在后续工艺历程中的可靠性 。 

    10.热机械剖析仪(TMA) 

    热机械剖析技术(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控温下  ,丈量固体、液体和凝胶在热或机械力作用下的形变性能  ,常用的负荷方法有压缩、针入、拉伸、弯曲等 。测试探头由牢固在其上面的悬臂梁和螺旋弹簧支撑  ,通过马达对试样施加载荷  ,当试样爆发形变时  ,差动变压器检测到此变革  ,并连同温度、应力和应变等数据进行处理后可获得物质在可忽略负荷下形变与温度(或时间)的关系 。凭据形变与温度(或时间)的关系  ,可研究剖析质料的物理化学及热力学性能 。TMA的应用广泛  ,在PCB的剖析方面主要用于PCB最要害的两个参数:丈量其线性膨胀系数和玻璃态转化温度 。膨胀系数过大的基材的PCB在焊接组装后常;岬贾陆鹗艋椎亩狭咽 。 

    由于PCB高密度的生长趋势以及无铅与无卤的环保要求  ,越来越多的PCB泛起了润湿不良、爆板、分层、CAF等等种种失效问题 。介绍这些剖析技术在实际案例中的应用 。PCB失效机理与原因的获得将有利于将来对PCB的质量控制  ,从而制止类似问题的再度爆发 。 

    来源:印制电路世界

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