電子組裝工藝失效分析技術(shù)

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失效分析是電子組裝工藝可靠性工作中的一項重要內(nèi)容，開展電子工藝失效分析工作必須具備一定的測試與分析設(shè)備。失效分析包括失效情況的調(diào)查分析、失效模式的鑒別、失效特征的描述、假設(shè)和確定失效模式，以及提出糾正措施和預防新失效的發(fā)生等。

電子組裝工藝的失效分析是對根據(jù)性能失效判定為失效的焊點、過孔、走線等于組裝工藝有關(guān)的失效現(xiàn)象進行事后檢查和分析工作，目的是發(fā)現(xiàn)并確定組裝工藝有關(guān)的失效原因和機理，要反饋給設(shè)計、制造和使用方，防止失效的再次發(fā)生，達到提高電子產(chǎn)品工藝可靠性的目的，作用如下： 

 （1）通過失效分析，改進硬件設(shè)計、工藝設(shè)計及可靠性應(yīng)用的理論和方法。

 （2）通過失效分析找到引起失效的物理現(xiàn)象，得到可靠性預測的模型。

 （3）為可靠性試驗（加速壽命和篩選試驗）條件提供理論依據(jù)和實際分析手段。

 （4）在處理中若為工藝問題，確定是否為批量性問題，為是否需要批次性召回和報廢提供依據(jù)。

 （5）通過失效分析的改善糾正措施，提高產(chǎn)品良率和可靠性，減少產(chǎn)品運行故障，獲得一定的經(jīng)濟效益。

電子組裝工藝失效分析技術(shù)與方法主要有：外觀檢查、金相切片分析、光學顯微鏡分析技術(shù)、紅外顯微鏡分析技術(shù)、聲學顯微鏡分析技術(shù)、掃描電子顯微鏡技術(shù)、電子束測試技術(shù)、x-射線分析技術(shù)及染色與滲透分析技術(shù)。本章將重點介紹電子組裝工藝失效分析中經(jīng)常使用的分析技術(shù)的原理、方法。

1、外觀檢查

外觀檢查主要是分析外觀缺陷，目的是記錄PCB、元器件和焊點等物理尺寸、材料、設(shè)計、結(jié)構(gòu)和標記，確認外觀的破損，檢測污染等異常和缺陷，這些問題都是工藝制造或應(yīng)用中造成的錯誤、過負載和操作失誤的證據(jù)，很可能與失效是相關(guān)的。外觀檢查通常采用目檢，也可以用1.5 ~ 10倍的放大鏡或光學顯微鏡。外觀檢查要特別注意以下幾方面內(nèi)容的檢查： 

（1） 機械損傷

（2） 器件密封缺陷

（3） 器件引腳鍍層缺陷

（4） PCB表面的污染或黏附物

（5） PCB的分層和爆裂等

（6） 器件的熱損傷或電器損傷情況

（7） PCB焊盤表面處理異常

（8） 焊點缺陷

2、金相切片分析

金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，采用定量金相學原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。金相樣品制備流程： 

（1）試樣選取部位確定及截取方式：選擇取樣部位及檢驗面，此過程綜合考慮樣品的特點及加工工藝，且選取部位需具有代表性

（2）鑲嵌：取金相切片專用模具，將試樣直立與模內(nèi)，讓待檢部位朝上。取一紙杯將冷埋樹脂（固態(tài)）與固化劑（液態(tài)）按2:1體積比混合，攪拌均勻，倒入模內(nèi)，直到樣品完全浸沒，將模具靜置10-20min，待樹脂完全固化。

（3）試樣粗磨：粗磨的目的是平整試樣，磨成合適的形狀。待固化完全后，先將較粗的金相砂紙將樣品磨至接近待檢部位，在按金相專用砂紙目數(shù)有小到大的順序進行粗磨和細磨。

（4）試樣精磨：精磨的目的是消除粗磨時留下的較深的劃痕，為拋光做準備。對于一般的材料磨制方法分為手工磨制和機械磨制兩種。

（5）試樣拋光：拋光的目的是把磨光留下的細微磨痕去除，成為光亮無痕的鏡面。一般分為機械拋光、化學拋光、電解拋光三種，而最常用的為機械拋光。拋光粉粒徑約為0.05um

（6）試樣微蝕：顯微鏡下觀察到拋光樣品的組織必須進行金相腐蝕。腐蝕的方法很多種，主要有化學腐蝕、電解腐蝕、恒電位腐蝕，而最常用的為化學腐蝕，用微蝕溶液為濃氨水和30%的雙氧水按體積比9:1的比例混合）對待檢表面進行涂抹處理，時間約為10s,然后用清水將表面清洗干凈，吹干。

（7）觀測：根據(jù)待檢部位具體情況，選擇適當?shù)姆糯蟊稊?shù)，直到能夠清晰觀察到真實圖像。

3、分析技術(shù)

X射線分析技術(shù)是一種借助X射線來識別原子種類的高技術(shù)。X射線是一種波長短、能量高的電磁波。當用X射線照射物質(zhì)時，除發(fā)生散射和吸收現(xiàn)象外，還會造成原子內(nèi)的電子發(fā)生電離，內(nèi)層軌道的電子脫離原子，形成一個空位，使原子處于“激發(fā)態(tài)”，這樣外層電子就會自動向內(nèi)層跳去，填補這個空位，從而發(fā)射出一定能量的X射線。由于它的波長和能量與原來照射的X射線不同，科學家將其稱為次級X射線，又叫X射線熒光。

X光透射系統(tǒng)就是利用不同材料厚度或不同材料密度對X光的吸收或透過率的不同原理成像，用來檢查焊點內(nèi)部的缺陷、通孔內(nèi)部缺陷、高密度封裝的BGA或CSP器件的缺陷焊點的定位，同時也可檢查PCB內(nèi)部缺陷等等。X-ray 分析是一種無損檢測分析技術(shù)。

4、光學顯微鏡分析技術(shù)

光學顯微鏡是進行電子元器件、半導體器件和集成電路失效分析的主要工具之一。主要有立體顯微鏡和金相顯微鏡。兩者結(jié)合起來使用，可用來進行器件外觀以及失效部位的表面形狀、分布、尺寸、組織、結(jié)構(gòu)、缺陷和應(yīng)力等觀察，如觀察分析芯片在過電應(yīng)力下的各種燒毀與擊穿現(xiàn)象、引線內(nèi)外鍵和、芯片裂縫、玷污、劃傷、氧化層缺陷及金屬層腐蝕等情況。

立體顯微鏡放大倍數(shù)較低，從幾倍到上百倍，但景深大。金相顯微鏡放大倍數(shù)較高，從幾十倍到一千多倍，但景深較小。兩者除了放大倍數(shù)不同外，其結(jié)構(gòu)、成像原理及使用方法基本相似。均是用目鏡和物鏡組合來成像的，立體顯微鏡一般稱正像，金相顯微鏡所成的像是倒像。像的放大倍數(shù)是目鏡和物鏡兩者放大倍數(shù)之積。立體顯微鏡和金相顯微鏡均有入射和透射兩種照相方式，并配有一些輔助裝置，可提供明場、暗場、微分干涉相襯和偏振等觀察手段，以適應(yīng)不同觀察的需要。

5、聲學顯微鏡分析技術(shù)

聲學顯微鏡:scanning Acoustic Microscope, 目前，聲學顯微鏡已成為無損檢測技術(shù)中發(fā)展最快的技術(shù)之一，主要是針對半導體器件 ,芯片,材料內(nèi)部的失效分析。其可以檢查到:1.材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu),雜質(zhì)顆粒．夾雜物．沉淀物．2. 內(nèi)部裂紋. 3.分層缺陷.4.空洞,氣泡,空隙等。

主要包括三種聲學顯微鏡：掃描激光聲學顯微鏡（scanning Laser Acoustic Microscope,SLAM; 掃描聲學顯微鏡（Scanning Acoustic Microscope, SAM; C型掃描聲學顯微鏡（C-Mode Scanning Acoustic Microscope, C-SAM）.從觀察物體的深度來說，每一類型聲學顯微鏡都用其自己的應(yīng)用區(qū)域。如SLAM能觀察到樣品內(nèi)部所有區(qū)域，C-SAM能觀察到樣品表面以下幾毫米的區(qū)域，而SAM則只能觀察到樣品表面幾微米的區(qū)域。

圖：掃描聲學顯微鏡原理

 C-SAM是一種反射式掃描聲學顯微鏡，是無損檢測技術(shù)中一項重要的技術(shù)。它是利用高頻超聲波在材料不連續(xù)界面上反射產(chǎn)生的振幅及相位與極性變化來成像，其掃描方式是沿著Z軸掃描X-Y平面的信息。內(nèi)部造影原理為電能經(jīng)由聚焦轉(zhuǎn)換鏡產(chǎn)生超聲波觸擊在待測物品上，將聲波在不同接口上反射或穿透訊號接收后影像處理，再以影像及訊號加以分析。

C-SAM即最利用此特性來檢出材料內(nèi)部的缺陷并依所接收之訊號變化將之成像。因此，只要被檢測的IC上表面或內(nèi)部芯片構(gòu)裝材料的接口有脫層、氣孔、裂縫…等缺陷時，即可由C-SAM影像得知缺陷之相對位置。

目前用于電子封裝或組裝分析的主要是C模式的超聲波掃描聲學顯微鏡，典型的掃描聲學的圖像是以紅色的警示色表示缺陷的存在，如上圖。

由于大量的塑封元器件在SMT工藝中的應(yīng)用，在有鉛工藝轉(zhuǎn)換無鉛工藝的過程中，由于器件潮敏問題，即濕的塑封器件在更高的無鉛回流溫度條件下，易出現(xiàn)內(nèi)部分層開裂現(xiàn)象。PCB板也易出現(xiàn)爆板現(xiàn)象，此時，掃描聲學顯微鏡就凸顯出無損探傷分析技術(shù)的優(yōu)勢。

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