產(chǎn)品在使用過程中常發(fā)生斷裂、變形、磨損及腐蝕等失效現(xiàn)象。為了防止或延緩這些失效現(xiàn)象的發(fā)生，
找出失效原因和提出改善措施，必須開展失效分析。
目前，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，失效分析已經(jīng)成為一門綜合性學(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)量全面管理等社會科學(xué)領(lǐng)域。
找出失效原因和提出改善措施，必須開展失效分析。
目前，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，失效分析已經(jīng)成為一門綜合性學(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)量全面管理等社會科學(xué)領(lǐng)域。
PCB/PCBA常見的失效現(xiàn)象：
| 板面變色 | 漏電 |
| 板面氧化腐蝕 | 板面起泡/分層 |
| 開路/短路 | 表面異物分析 |
| 板面電遷移 | 器件脫落/焊點(diǎn)開裂 |
常用的失效分析技術(shù)手段：
無損檢測：
外觀檢測
X射線透視檢測
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(jī)械分析（TMA）
熱重分析（TGA）
動態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）
導(dǎo)熱系數(shù)（穩(wěn)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(shù)、電遷移、阻抗、導(dǎo)通電阻、絕緣電阻
失效復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)/驗(yàn)證
對于這些失效問題，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(jié)了九項(xiàng)用于PCB失效分析的技術(shù)，包括：外觀檢查、X射線透視檢查、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射線能譜分析等。
1.外觀檢查
外觀檢查就是目測或利用一些簡單儀器，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，
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。外觀檢查主要檢查PCB的污染、
腐蝕、爆板的位置、電路布線以及失效的規(guī)律性、如是批次的或是個(gè)別，是不是總是集中在某個(gè)區(qū)域等等。另外，有許
多PCB的失效是在組裝成PCBA后才發(fā)現(xiàn)，是不是組裝工藝過程以及過程所用材料的影響導(dǎo)致的失效也需要仔細(xì)檢查失效區(qū)域的特征。
2.X射線透視檢查
對于某些不能通過外觀檢查到的部位以及PCB的通孔內(nèi)部和其他內(nèi)部缺陷，只好使用X射線透視系統(tǒng)來檢查。
X光透視系統(tǒng)就是利用不同材料厚度或是不同材料密度對X光的吸濕或透過率的不同原理來成像。該技術(shù)更多
地用來檢查PCBA焊點(diǎn)內(nèi)部的缺陷、通孔內(nèi)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(shè)備的分辨率可以達(dá)到一個(gè)微米以下，并正由二維向三維成像的設(shè)備轉(zhuǎn)變，甚至已經(jīng)有五維
（5D）的設(shè)備用于封裝的檢查，但是這種5D的X光透視系統(tǒng)非常貴重，很少在工業(yè)界有實(shí)際的應(yīng)用。
3.切片分析
切片分析就是通過取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕、觀察等一系列手段和步驟獲得PCB橫截面結(jié)構(gòu)的過程。
通過切片分析可以得到反映PCB（通孔、鍍層等）質(zhì)量的微觀結(jié)構(gòu)的豐富信息，為下一步的質(zhì)量改進(jìn)提供
很好的依據(jù)。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，需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員來完成。要求詳細(xì)的切片作業(yè)過程，可以參考IPC的標(biāo)準(zhǔn)
IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810規(guī)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(xù)
界面上反射產(chǎn)生的振幅及位相與極性變化來成像，其掃描方式是沿著Z軸掃描X-Y平面的信息。因此，掃
描聲學(xué)顯微鏡可以用來檢測元器件、材料以及PCB與PCBA內(nèi)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，還可以直接檢測到焊點(diǎn)的內(nèi)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(zhuǎn)換成無鉛
工藝的過程中，大量的潮濕回流敏感問題產(chǎn)生，即吸濕的塑封器件會在更高的無鉛工藝溫度下回流時(shí)出現(xiàn)
內(nèi)部或基板分層開裂現(xiàn)象，在無鉛工藝的高溫下普通的PCB也會常常出現(xiàn)爆板現(xiàn)象。此時(shí)，掃描聲學(xué)顯微
鏡就凸現(xiàn)其在多層高密度PCB無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目測外觀就能檢測出來。
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(jié)合在一起的分析方法，它利用不同材料（主要是有機(jī)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(jié)合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路，只要在可見的
視場下，就可以尋找要分析微量的有機(jī)污染物。如果沒有顯微鏡的結(jié)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(dǎo)致PCB焊盤或引線腳的可焊性不良，可以想象，沒
有顯微鏡配套的紅外光譜是很難解決工藝問題的。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(jī)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(tǒng)。在PCB或焊點(diǎn)的失效分
析方面，SEM主要用來作失效機(jī)理的分析，具體說來就是用來觀察焊盤表面的形貌結(jié)構(gòu)、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(dǎo)電，對非導(dǎo)體和部分半導(dǎo)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察。此外，掃描電鏡圖像景深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡，是針對金相結(jié)構(gòu)、顯
微斷口以及錫須等不平整樣品的重要分析方法。
7.X射線能譜分析
上面所說的掃描電鏡一般都配有X射線能譜儀。隨著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；線分析每次對指定的一條線做
一種元素分析，多次掃描得到所有元素的線分布；面分析對一個(gè)指定面內(nèi)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表面的成分分析，可焊性不良的焊盤與引線腳
表面污染物的元素分析。能譜儀的定量分析的準(zhǔn)確度有限，低于0.1%的含量一般不易檢出。能譜與SEM結(jié)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(yīng)用廣泛的原因所在。
8.光電子能譜（XPS）
樣品受X射線照射時(shí)，表面原子的內(nèi)殼層電子會脫離原子核的束縛而逸出固體表面形成電子，測量其動能Ex，
可得到原子的內(nèi)殼層電子的結(jié)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(biāo)識參數(shù)，形成
的譜線即為光電子能譜（XPS）。XPS可以用來進(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(jù)結(jié)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)與周圍元素鍵合等
信息；入射束為X射線光子束，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（可參見后面的案例），且靈敏度遠(yuǎn)比能譜（EDS）高。
XPS在PCB的分析方面主要用于焊盤鍍層質(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(bǔ)償加熱絲，當(dāng)試樣在加熱過程中由于熱效應(yīng)與參比物之間出現(xiàn)溫差ΔT時(shí)，可通過差熱放大電路和
差動熱量補(bǔ)償放大器，使流入補(bǔ)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(bǔ)償?shù)臒峁β手铍S溫度（或時(shí)間）的變化關(guān)系，根據(jù)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(yīng)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(zhuǎn)化溫度，這兩個(gè)參數(shù)決定著PCB在后續(xù)工藝過程中的可靠性。
熱機(jī)械分析儀 （TMA）：
熱機(jī)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(jī)械力作用下的
形變性能，常用的負(fù)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
過馬達(dá)對試樣施加載荷，當(dāng)試樣發(fā)生形變時(shí)，差動變壓器檢測到此變化，并連同溫度、應(yīng)力和應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理
后可得到物質(zhì)在可忽略負(fù)荷下形變與溫度（或時(shí)間）的關(guān)系。根據(jù)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(yīng)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(shù)：測量其線性膨脹
系數(shù)和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。膨脹系數(shù)過大的基材的PCB在焊接組裝后常常會導(dǎo)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通過精密的電子天平可監(jiān)測物質(zhì)在程控變溫過程中發(fā)生的細(xì)微的質(zhì)量變化。
根據(jù)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(wěn)定性或熱分解溫度，如果基材的熱分解溫度太低，PCB在經(jīng)過焊接過程的高溫時(shí)將會發(fā)生爆板或分層失效現(xiàn)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(bǔ)焊處理或大剪刀進(jìn)行強(qiáng)力
剪裁PCB，那么再分析就無從下手了，失效的現(xiàn)場已經(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(xiàn)場的環(huán)境，真正的失效原因就無法獲得了。
失效分析的過程主要分為5個(gè)步驟：“①收集不良板信息→②失效現(xiàn)象確認(rèn)→③失效原因分析→④失效根因驗(yàn)證→⑤報(bào)告結(jié)論，改善建議”。
其中，第①步主要是了解不良PCB板的失效內(nèi)容、工藝流程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)狀況、使用狀況、儲存狀況等信息，為后續(xù)分析過程展開作準(zhǔn)備；
第②步是根據(jù)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分析，根據(jù)失效根因故障樹來逐一排查根因，倘若在已有的故障樹中還無法確認(rèn)原因，則需要
通過專題立項(xiàng)等方式研究這類失效問題，并將研究結(jié)論加入到原有故障樹中，使故障樹不斷豐富完善，窮盡根因，形成反復(fù)迭代升級的有效循環(huán)模式；
再通過第④步進(jìn)行復(fù)現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證根因；最終輸出失效分析報(bào)告，對失效根因給出針對性的改善方案。
針對PCB/PCBA的常見板級失效現(xiàn)象，我們通過建立各種失效模式的根因故障樹，并在實(shí)戰(zhàn)中持續(xù)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(dǎo)通不良和絕緣不良等高頻
失效模式的根因故障樹分析流程，能夠幫助大家在后續(xù)實(shí)戰(zhàn)中，跟隨故障樹的失效分析流程，快速的定位失效根因，解決問題，事半功倍。
通過對故障樹的各項(xiàng)根因進(jìn)行驗(yàn)證，從而形成標(biāo)準(zhǔn)庫文件。根因判定標(biāo)準(zhǔn)庫的來源主要有幾個(gè)方面：
①IPC、GJB、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等文件；②正常產(chǎn)品與異常產(chǎn)品對比庫；③研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)文件庫等。
同時(shí)，對故障樹中每個(gè)失效根因涉及到的評判方法和評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)歸類，將PCB常見的標(biāo)準(zhǔn)和各類
異常數(shù)據(jù)匯總整理，形成PCB失效分析標(biāo)準(zhǔn)庫，供后續(xù)案例開展進(jìn)行參照。
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