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详细说明pcb失效的原因分析

助工
2014-12-30 00:04:03    评分
 1 扫描电子显微镜分析扫描电子显微镜(SEM)是进行失效分析的一种最有用的大型电子显微成像系统,其工作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,电子束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动,这束高能电子束轰击到样品表面上会激发出多种信息,经过收集放大就能从显示屏上得到各种相应的图形。激发的二次电子产生于样品表面5~10nm范围内,因而,二次电子能够较好的反映样品表面的形貌,所以最常用作形貌观察;而激发的背散射电子则产生于样品表面100~1000nm范围内,随着物质原子序数的不同而发射不同特征的背散射电子,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,背散射电子像可反映化学元素成分的分布。现时的扫描电子显微镜的功能已经很强大,任何精细结构或表面特征均可放大到几十万倍进行观察与分析。
  在PCB或焊点的失效分析方面,SEM主要用来作失效机理的分析,具体说来就是用来观察焊盘表面的形貌结构、焊点金相组织、测量金属间化物、可焊性镀层分析以及做锡须分析测量等。与光学显微镜不同,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,否则电荷聚集在样品表面就影响样品的观察。此外,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分析方法。
  2 X射线能谱分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表面时,表面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激发出特征X射线,不同元素的原子能级差不同而发出的特征X射线就不同,因此,可以将样品发出的特征X射线作为化学成分分析。同时按照检测X射线的信号为特征波长或特征能量又将相应的仪器分别叫波谱分散谱仪(简称波谱仪,WDS)和能量分散谱仪(简称能谱仪,EDS),波谱仪的分辨率比能谱仪高,能谱仪的分析速度比波谱仪快。由于能谱仪的速度快且成本低,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式不同,能谱仪可以进行表面的点分析、线分析和面分析,可得到元素不同分布的信息。点分析得到一点的所有元素;线分析每次对指定的一条线做一种元素分析,多次扫描得到所有元素的线分布;面分析对一个指定面内的所有元素分析,测得元素含量是测量面范围的平均值。
  在PCB的分析上,能谱仪主要用于焊盘表面的成分分析,可焊性不良的焊盘与引线脚表面污染物的元素分析。能谱仪的定量分析的准确度有限,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表面形貌与成分的信息,这是它们应用广泛的原因所在。
  3 光电子能谱(XPS)样品受X射线照射时,表面原子的内壳层电子会脱离原子核的束缚而逸出固体表面形成电子,测量其动能Ex,可得到原子的内壳层电子的结合能Eb,Eb因不同元素和不同电子壳层而异,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可以用来进行样品表面浅表面(几个纳米级)元素的定性和定量分析。此外,还可根据结合能的化学位移获得有关元素化学价态的信息。能给出表面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分析,不损伤被分析样品快速多元素分析;还可以在氩离子剥离的情况下对多层进行纵向的元素分布分析(可参见后面的案例),且灵敏度远比能谱(EDS)高。XPS在PCB的分析方面主要用于焊盘镀层质量的分析、污染物分析和氧化程度的分析,以确定可焊性不良的深层次原因。
  4热分析差示扫描量热法(Differential Scanning Calorim- etry):在程序控温下,测量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度(或时间)关系的一种方法。DSC在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝,当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时,可通过差热放大电路和差动热量补偿放大器,使流入补偿电热丝的电流发生变化,而使两边热量平衡,温差ΔT消失,并记录试样和参比物下两只电热补偿的热功率之差随温度(或时间)的变化关系,根据这种变化关系,可研究分析材料的物理化学及热力学性能。DSC的应用广泛,但在PCB的分析方面主要用于测量PCB上所用的各种高分子材料的固化程度(例如图2)、玻璃态转化温度,这两个参数决定着PCB在后续工艺过程中的可靠性。
  热机械分析仪 (TMA):热机械分析技术(Thermal Mechanical Analysis)用于程序控温下,测量固体、液体和凝胶在热或机械力作用下的形变性能,常用的负荷方式有压缩、针入、拉伸、弯曲等。测试探头由固定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,当试样发生形变时,差动变压器检测到此变化,并连同温度、应力和应变等数据进行处理后可得到物质在可忽略负荷下形变与温度(或时间)的关系。根据形变与温度(或时间)的关系,可研究分析材料的物理化学及热力学性能。TMA的应用广泛,在PCB的分析方面主要用于PCB最关键的两个参数:测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在焊接组装后常常会导致金属化孔的断裂失效。
  由于PCB高密度的发展趋势以及无铅与无卤的环保要求,越来越多的PCB出现了润湿不良、爆板、分层、CAF等等各种失效问题。介绍这些分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,从而避免类似问题的再度发生。

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