產(chǎn)品在使用過(guò)程中常發(fā)生斷裂、變形、磨損及腐蝕等失效現象。為了防止或延緩這些失效現象的發(fā)生，
找出失效原因和提出改善措施，必須開(kāi)展失效分析。
目前，隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，失效分析已經(jīng)成為一門(mén)綜合性學(xué)科。它不僅與材料科學(xué)、斷裂
力學(xué)、斷裂物理和斷口學(xué)等自然科學(xué)相關(guān)聯(lián)，而且還涉及產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等社會(huì )科學(xué)領(lǐng)域。
找出失效原因和提出改善措施，必須開(kāi)展失效分析。
目前，隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，失效分析已經(jīng)成為一門(mén)綜合性學(xué)科。它不僅與材料科學(xué)、斷裂
力學(xué)、斷裂物理和斷口學(xué)等自然科學(xué)相關(guān)聯(lián)，而且還涉及產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等社會(huì )科學(xué)領(lǐng)域。
PCB/PCBA常見(jiàn)的失效現象：
| 板面變色 | 漏電 |
| 板面氧化腐蝕 | 板面起泡/分層 |
| 開(kāi)路/短路 | 表面異物分析 |
| 板面電遷移 | 器件脫落/焊點(diǎn)開(kāi)裂 |
常用的失效分析技術(shù)手段：
無(wú)損檢測：
外觀(guān)檢測
X射線(xiàn)透視檢測
三維CT檢測
C-SAM檢測
紅外熱成像
熱分析：
差示掃描量熱法（DSC）
熱機械分析（TMA）
熱重分析（TGA）
動(dòng)態(tài)熱機械分析（DMA）
導熱系數（穩態(tài)熱流法、激光散射法）
表面元素分析：
掃描電鏡及能譜分析（SEM?EDS）
顯微紅外分析（FTIR）
俄歇電子能譜分析（AES）
X射線(xiàn)光電子能譜分析（XPS）
二次離譜質(zhì)譜分析（TOF-SIMS）
破壞性檢測：
染色及滲透檢測
切片分析：金相切片分析、聚焦離子束（FIB）制樣、離子研磨（CP）制樣
電性能檢測：
擊穿電壓、耐電壓、介電常數、電遷移、阻抗、導通電阻、絕緣電阻
失效復現試驗/驗證對于這些失效問(wèn)題，我們需要用到一些常用的失效分析技術(shù)，使PCB在制造的時(shí)候質(zhì)量和可靠性水平得到一定的保證，
本文總結了九項用于PCB失效分析的技術(shù)，包括：外觀(guān)檢查、X射線(xiàn)透視檢查、金相切片分析、熱分析、光電子能譜
分析、顯微紅外分析、掃描聲學(xué)顯微鏡、掃描電鏡分析以及X射線(xiàn)能譜分析等。
1.外觀(guān)檢查外觀(guān)檢查就是目測或利用一些簡(jiǎn)單儀器，如光學(xué)顯微鏡、立體顯微鏡、金相顯微鏡甚至放大鏡等工具檢查PCB的外觀(guān)，
尋找失效的部位和相關(guān)的物證，主要的作用就是失效定位和初步判斷PCB的失效模式。外觀(guān)檢查主要檢查PCB的污染、
腐蝕、爆板的位置、電路布線(xiàn)以及失效的規律性、如是批次的或是個(gè)別，是不是總是集中在某個(gè)區域等等。另外，有許
多PCB的失效是在組裝成PCBA后才發(fā)現，是不是組裝工藝過(guò)程以及過(guò)程所用材料的影響導致的失效也需要仔細檢查失效區域的特征。
2.X射線(xiàn)透視檢查對于某些不能通過(guò)外觀(guān)檢查到的部位以及PCB的通孔內部和其他內部缺陷，只好使用X射線(xiàn)透視系統來(lái)檢查。
X光透視系統就是利用不同材料厚度或是不同材料密度對X光的吸濕或透過(guò)率的不同原理來(lái)成像。該技術(shù)更多
地用來(lái)檢查PCBA焊點(diǎn)內部的缺陷、通孔內部缺陷和高密度封裝的BGA或CSP器件的缺陷焊點(diǎn)的定位。目前
的工業(yè)X光透視設備的分辨率可以達到一個(gè)微米以下，并正由二維向三維成像的設備轉變，甚至已經(jīng)有五維
（5D）的設備用于封裝的檢查，但是這種5D的X光透視系統非常貴重，很少在工業(yè)界有實(shí)際的應用。
3.切片分析
切片分析就是通過(guò)取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕、觀(guān)察等一系列手段和步驟獲得PCB橫截面結構的過(guò)程。
通過(guò)切片分析可以得到反映PCB（通孔、鍍層等）質(zhì)量的微觀(guān)結構的豐富信息，為下一步的質(zhì)量改進(jìn)提供
很好的依據。但是該方法是破壞性的，一旦進(jìn)行了切片，樣品就必然遭到破壞；同時(shí)該方法制樣要求高，
制樣耗時(shí)也較長(cháng)，需要訓練有素的技術(shù)人員來(lái)完成。要求詳細的切片作業(yè)過(guò)程，可以參考IPC的標準
IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810規定的流程進(jìn)行。4.掃描聲學(xué)顯微鏡目前用于電子封裝或組裝分析的主要是C模式的超聲掃描聲學(xué)顯微鏡，它是利用高頻超聲波在材料不連續
界面上反射產(chǎn)生的振幅及位相與極性變化來(lái)成像，其掃描方式是沿著(zhù)Z軸掃描X-Y平面的信息。因此，掃
描聲學(xué)顯微鏡可以用來(lái)檢測元器件、材料以及PCB與PCBA內部的各種缺陷，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(huà)，還可以直接檢測到焊點(diǎn)的內部缺陷。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，由有鉛轉換成無(wú)鉛
工藝的過(guò)程中，大量的潮濕回流敏感問(wèn)題產(chǎn)生，即吸濕的塑封器件會(huì )在更高的無(wú)鉛工藝溫度下回流時(shí)出現
內部或基板分層開(kāi)裂現象，在無(wú)鉛工藝的高溫下普通的PCB也會(huì )常常出現爆板現象。此時(shí)，掃描聲學(xué)顯微
鏡就凸現其在多層高密度PCB無(wú)損探傷方面的特別優(yōu)勢。而一般的明顯的爆板則只需通過(guò)目測外觀(guān)就能檢測出來(lái)。5.顯微紅外分析顯微紅外分析就是將紅外光譜與顯微鏡結合在一起的分析方法，它利用不同材料（主要是有機物）對紅外
光譜不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再結合顯微鏡可使可見(jiàn)光與紅外光同光路，只要在可見(jiàn)的
視場(chǎng)下，就可以尋找要分析微量的有機污染物。如果沒(méi)有顯微鏡的結合，通常紅外光譜只能分析樣品量較
多的樣品。而電子工藝中很多情況是微量污染就可以導致PCB焊盤(pán)或引線(xiàn)腳的可焊性不良，可以想象，沒(méi)
有顯微鏡配套的紅外光譜是很難解決工藝問(wèn)題的。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。在PCB或焊點(diǎn)的失效分
析方面，SEM主要用來(lái)作失效機理的分析，具體說(shuō)來(lái)就是用來(lái)觀(guān)察焊盤(pán)表面的形貌結構、焊點(diǎn)金相組織、
測量金屬間化物、可焊性鍍層分析以及做錫須分析測量等。與光學(xué)顯微鏡不同，掃描電鏡所成的是電子像，
因此只有黑白兩色，并且掃描電鏡的試樣要求導電，對非導體和部分半導體需要噴金或碳處理，否則電荷
聚集在樣品表面就影響樣品的觀(guān)察。此外，掃描電鏡圖像景深遠遠大于光學(xué)顯微鏡，是針對金相結構、顯
微斷口以及錫須等不平整樣品的重要分析方法。7.X射線(xiàn)能譜分析上面所說(shuō)的掃描電鏡一般都配有X射線(xiàn)能譜儀。隨著(zhù)電子束的掃描方式不同，能譜儀可以進(jìn)行表面的點(diǎn)分析、
線(xiàn)分析和面分析，可得到元素不同分布的信息。點(diǎn)分析得到一點(diǎn)的所有元素；線(xiàn)分析每次對指定的一條線(xiàn)做
一種元素分析，多次掃描得到所有元素的線(xiàn)分布；面分析對一個(gè)指定面內的所有元素分析，測得元素含量是
測量面范圍的平均值。在PCB的分析上，能譜儀主要用于焊盤(pán)表面的成分分析，可焊性不良的焊盤(pán)與引線(xiàn)腳
表面污染物的元素分析。能譜儀的定量分析的準確度有限，低于0.1%的含量一般不易檢出。能譜與SEM結合
使用可以同時(shí)獲得表面形貌與成分的信息，這是它們應用廣泛的原因所在。8.光電子能譜（XPS）樣品受X射線(xiàn)照射時(shí)，表面原子的內殼層電子會(huì )脫離原子核的束縛而逸出固體表面形成電子，測量其動(dòng)能Ex，
可得到原子的內殼層電子的結合能Eb,Eb因不同元素和不同電子殼層而異，它是原子的“指紋”標識參數，形成
的譜線(xiàn)即為光電子能譜（XPS）。XPS可以用來(lái)進(jìn)行樣品表面淺表面（幾個(gè)納米級）元素的定性和定量分析。
此外，還可根據結合能的化學(xué)位移獲得有關(guān)元素化學(xué)價(jià)態(tài)的信息。能給出表面層原子價(jià)態(tài)與周?chē)劓I合等
信息；入射束為X射線(xiàn)光子束，因此可進(jìn)行絕緣樣品分析，不損傷被分析樣品快速多元素分析；還可以在氬
離子剝離的情況下對多層進(jìn)行縱向的元素分布分析（可參見(jiàn)后面的案例），且靈敏度遠比能譜（EDS）高。
XPS在PCB的分析方面主要用于焊盤(pán)鍍層質(zhì)量的分析、污染物分析和氧化程度的分析，以確定可焊性不良的深層次原因。9.熱分析
差示掃描量熱法（DSC）：
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。DSC在試樣和參比物
容器下裝有兩組補償加熱絲，當試樣在加熱過(guò)程中由于熱效應與參比物之間出現溫差ΔT時(shí)，可通過(guò)差熱放大電路和
差動(dòng)熱量補償放大器，使流入補償電熱絲的電流發(fā)生變化，而使兩邊熱量平衡，溫差ΔT消失，并記錄試樣和參比物
下兩只電熱補償的熱功率之差隨溫度（或時(shí)間）的變化關(guān)系，根據這種變化關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱
力學(xué)性能。DSC的應用廣泛，但在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)
轉化溫度，這兩個(gè)參數決定著(zhù)PCB在后續工藝過(guò)程中的可靠性。
熱機械分析儀 （TMA）：
熱機械分析技術(shù)（Thermal Mechanical Analysis）用于程序控溫下，測量固體、液體和凝膠在熱或機械力作用下的
形變性能，常用的負荷方式有壓縮、針入、拉伸、彎曲等。測試探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐，通
過(guò)馬達對試樣施加載荷，當試樣發(fā)生形變時(shí)，差動(dòng)變壓器檢測到此變化，并連同溫度、應力和應變等數據進(jìn)行處理
后可得到物質(zhì)在可忽略負荷下形變與溫度（或時(shí)間）的關(guān)系。根據形變與溫度（或時(shí)間）的關(guān)系，可研究分析材料
的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。TMA的應用廣泛，在PCB的分析方面主要用于PCB最關(guān)鍵的兩個(gè)參數：測量其線(xiàn)性膨脹
系數和玻璃態(tài)轉化溫度。膨脹系數過(guò)大的基材的PCB在焊接組裝后常常會(huì )導致金屬化孔的斷裂失效。
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。
TGA通過(guò)精密的電子天平可監測物質(zhì)在程控變溫過(guò)程中發(fā)生的細微的質(zhì)量變化。
根據物質(zhì)質(zhì)量隨溫度(或時(shí)間)的變化關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。在PCB的分析方面，
主要用于測量PCB材料的熱穩定性或熱分解溫度，如果基材的熱分解溫度太低，PCB在經(jīng)過(guò)焊接過(guò)程的高溫時(shí)將會(huì )發(fā)生爆板或分層失效現象。
PCB失效分析步驟:
PCB或PCBA的失效分析一樣，如果使用電烙鐵對失效的焊點(diǎn)進(jìn)行補焊處理或大剪刀進(jìn)行強力
剪裁PCB，那么再分析就無(wú)從下手了，失效的現場(chǎng)已經(jīng)破壞了。特別是在失效樣品少的情況下
，一旦破壞或損傷了失效現場(chǎng)的環(huán)境，真正的失效原因就無(wú)法獲得了。
失效分析的過(guò)程主要分為5個(gè)步驟：“①收集不良板信息→②失效現象確認→③失效原因分析→④失效根因驗證→⑤報告結論，改善建議”。
其中，第①步主要是了解不良PCB板的失效內容、工藝流程、結構設計、生產(chǎn)狀況、使用狀況、儲存狀況等信息，為后續分析過(guò)程展開(kāi)作準備；
第②步是根據失效信息，確定失效位置，判斷失效模式；
第③步是針對失效模式展開(kāi)分析，根據失效根因故障樹(shù)來(lái)逐一排查根因，倘若在已有的故障樹(shù)中還無(wú)法確認原因，則需要
通過(guò)專(zhuān)題立項等方式研究這類(lèi)失效問(wèn)題，并將研究結論加入到原有故障樹(shù)中，使故障樹(shù)不斷豐富完善，窮盡根因，形成反復迭代升級的有效循環(huán)模式；
再通過(guò)第④步進(jìn)行復現性實(shí)驗，驗證根因；最終輸出失效分析報告，對失效根因給出針對性的改善方案。
針對PCB/PCBA的常見(jiàn)板級失效現象，我們通過(guò)建立各種失效模式的根因故障樹(shù)，并在實(shí)戰中持續積累、提煉、更新，
從深度和廣度上，迭代上升，從而形成相對較完善的分層起泡、可焊性不良、鍵合不良、導通不良和絕緣不良等高頻
失效模式的根因故障樹(shù)分析流程，能夠幫助大家在后續實(shí)戰中，跟隨故障樹(shù)的失效分析流程，快速的定位失效根因，解決問(wèn)題，事半功倍。通過(guò)對故障樹(shù)的各項根因進(jìn)行驗證，從而形成標準庫文件。根因判定標準庫的來(lái)源主要有幾個(gè)方面：
①I(mǎi)PC、GJB、行業(yè)標準等文件；②正常產(chǎn)品與異常產(chǎn)品對比庫；③研發(fā)項目經(jīng)驗、生產(chǎn)經(jīng)驗文件庫等。
同時(shí)，對故障樹(shù)中每個(gè)失效根因涉及到的評判方法和評判標準進(jìn)行總結歸類(lèi)，將PCB常見(jiàn)的標準和各類(lèi)
異常數據匯總整理，形成PCB失效分析標準庫，供后續案例開(kāi)展進(jìn)行參照。
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