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第二章 電子組件失效分析方法概述
第二章 電子組件失效分析方法概述
2.2 失效分析方法
①外觀檢查
②X射線分析
③金相切片
④聲學(xué)掃描
⑤紅外熱像分析
⑥掃描電鏡及能譜分析
⑦顯微紅外分析
⑧熱分析
⑨其它分析方法
2.1 失效分析概述
①失效定義
②失效分析要求
③失效分析基本流程
④失效分析原則
失效－產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。
產(chǎn)品：可修復(fù)不可修復(fù)
喪失：可能是一個動作或一個逐步的過程。
規(guī)定功能：國家法規(guī)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文件、合同要求等。
失效的例子：
①焊點腐蝕/焊點開裂等
②PCB焊盤明顯變色
③PCB某絕緣的兩點之間 存在漏電流并影響功能
①整機無預(yù)定的功能，如手機不能開機
2.1 失效定義
失效分析
失效分析－判斷產(chǎn)品的失效模式、查找產(chǎn)品的失效機理和原因，提出預(yù)防再失效的對策的技術(shù)活動和管理過程。
失效分析的主要內(nèi)容包括：
?明確分析對象
?確定失效模式
?研究失效機理
?判斷失效原因
?提出預(yù)防措施
? 模式明確
? 原因明確
? 機理清楚
? 措施得力
? 模式再現(xiàn)
? 舉一反三
失效分析的目標(biāo)
例：電子組件的失效為漏電失效，失效孔間陽極導(dǎo)電絲的生長是導(dǎo)致漏電的原因。陽極導(dǎo)電絲的生長是由于PCB鉆孔質(zhì)量差引起的，建議加強PCB質(zhì)量控制，特別是鉆孔質(zhì)量控制。
找什么 用什么找 怎么找 怎么樣
電子組件失效分析思路
電子組件失效分析基本流程續(xù)
失效信息外觀及電性能測試失效模式及機理初步判斷無損檢測破壞性分析失效模式及機理確認(rèn)失效分析結(jié)束
失效階段
失效現(xiàn)象
物料特征
工藝特征
應(yīng)力特征
環(huán)境特征
X-射線 聲學(xué)掃描 紅外分析 紅外熱成像 電性能
金相分析 染色試驗 SEM&EDS 器件開封 。。。
失效分析中人的作用
獲取有用信息 進(jìn)行信息判斷，推斷可能機理 進(jìn)行信息（證據(jù)）采集 信息再次確認(rèn)判斷 獲取結(jié)論 要求：掌握失效分析機理 掌握失效分析必要手段 具備很強的邏輯分析能力
?先非破壞性分析，后破壞性分析
?預(yù)先清楚每分析項目的目的、可能發(fā)生的情況
?不引入新機理，或可界定所引入的新機理
?不遺漏信息
?養(yǎng)成作記錄的習(xí)慣
?以失效表征為基礎(chǔ)，以失效特征與機理的因果關(guān)系為依據(jù)，以邏輯性為主線，不牽強，不生硬。
?自圓其說，不能自圓其說的疑點，往往是失效的本質(zhì)
失效分析中應(yīng)該特別注意的問題
2.3 失效分析常用方法和手段
2.3.1 光學(xué)顯微技術(shù) 2.3.2 X-射線檢測技術(shù) 2.3.3 聲學(xué)掃描檢測技術(shù) 2.3.4 紅外熱成像技術(shù) 2.3.5 金相分析技術(shù) 2.3.6 掃描電鏡及能譜技術(shù) 2.3.7 材料分析技術(shù) 2.3.8 電性能測試技術(shù) 2.3.9 熱分析技術(shù) 2.3.10 其他分析技術(shù)
2.3.1 光學(xué)顯微技術(shù)
主要作用： 在失效分析過程中提供一組清晰、簡明的圖像，用于記載失效分析的整個過程。 清晰的照片有助于說明在書面報告中難以描述的異常現(xiàn)象。 如：所檢元器件引腳及焊點表面存在嚴(yán)重的腐蝕（退色的表面或則光亮表面生銹）
光學(xué)檢查在電子組件失效分析中的應(yīng)用
焊點： 潤濕角 失效部位 焊點表面顏色 PCB： 表面清潔情況（殘留、污染等） 表面起泡等 器件： 結(jié)構(gòu)完整性 引腳腐蝕等
光學(xué)檢查在電子組件失效分析中的應(yīng)用
光學(xué)檢查主要尋找的特征： （1）基板的裂縫。表明機械的彎曲和應(yīng)力 （2）過熱或者變色的線路。過電流的標(biāo)志 （3）破裂的焊點。可焊性的問題或者焊料的污染 （4）若干焊點具有灰暗的表面或者過多過少的焊料。這些特征為工藝差、污染物或者過熱的標(biāo)志。 （5）脫色的元器件。可能意味著過熱 （6）明顯的焊接殘留物。可能污染或者工藝問題 （7）引腳腐蝕和污染。 （8）失效位置特征等。
注意在分析過程中近可能多拍外觀照片
光學(xué)檢查可發(fā)現(xiàn)的缺陷舉例
反潤濕
燒焦，燒毀或?qū)^緣、印制線路板的其他損害
毛刺或搭橋
虛焊互連
松香殘留
焊點應(yīng)力紋
松動的引腳
破裂的焊點
焊料小球
電遷移枝晶
熱損壞或互連處的熔化
腐蝕或氧化
線路板分層
線路板翹曲
切割、刻痕等機械損傷痕跡
電子組件用顯微鏡要求
1 zui常用低放大倍數(shù)的體視顯微鏡（6～200X）。
焊點外觀觀察一般用40X
2 體視顯微鏡的工作距離大、景深好。
2.3.2 X－射線檢測技術(shù)
? 焊點內(nèi)部缺陷檢查
? 通孔內(nèi)部缺陷
? 密集封裝BGA、CSP缺陷焊點定位
? PCB缺陷定位（短路 開路）
? 器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析（鍵合失效）
X－射線的定義
X-射線：波長為0.1~10A的電磁輻射。
X-射線在電子故障中的應(yīng)用
確定元件內(nèi)部狀態(tài)
檢查焊接部位
為解剖和拆卸做準(zhǔn)備
X－射線檢測基礎(chǔ)
X－射線發(fā)生機理
X射線檢測示意圖
X－射線成像原理
X－射線檢測尋找的主要特征： （1）任何不連續(xù)性和線路的損壞 （2）未*填滿的通孔 （3）位置未對準(zhǔn)的線路或者焊盤 （4）BGA焊點的空洞和形狀異常
缺點：難以檢測到裂縫
失效定位－開路
失效定位－潤濕不良
失效定位－枕頭效應(yīng)
2.3.3 掃描超聲顯微鏡檢查
1.元器件封裝內(nèi)部內(nèi)部缺陷（分層、空洞、裂紋）檢查 2.FCOB倒裝焊點空洞以及微裂紋分析
失效定位 模式判定
利用高頻超聲波在材料不連續(xù)界面上反射產(chǎn)生的位相及振幅變化來成像
可以檢測到的缺陷
1.Delamination（離層）
2.Package Crack（塑封體裂縫）
3.Die Crack（硅片裂縫）
4.Void（空洞）
5.Tilt（硅片傾斜）
6.Foreign Materials （外來雜質(zhì)）
Delamination
PKG Crack
Void
PKG Crack
Chip Crack
使用超聲波檢測的原理
Signals in Digital Oscilloscope
Package Surface
Die Surface
Die Bottom
Inspect defects using reflected signal in each interface 用反射信號檢測每個界面的缺陷
Die Attach Adhesive
Die
EMC
Die Surface
Die Bottom
Package Surface
Ultrasonic 超聲波
Transducer 超聲波探頭 窗口
窗口
反射率參數(shù)表
潮濕敏感損傷－聲學(xué)掃描案例
界面開裂導(dǎo)致鍵合引線拉斷
爆米花效應(yīng)”拉斷內(nèi)引線鍵合絲和造成芯片破裂的案例
試驗前發(fā)現(xiàn)樣品表面有鼓起
聲掃發(fā)現(xiàn)樣品有分層
開封發(fā)現(xiàn)樣品芯片有開裂
開裂芯片放大圖
（a）底座－陶瓷界面 （b）陶瓷－芯片界面失效品聲學(xué)掃描照片
（a）底座－陶瓷界面 （b）陶瓷－芯片界面 良品聲掃形貌
C-SAM測試結(jié)果實例2
2.3.4 金相分析技術(shù)
方法與步驟
? 取樣
? 鑲嵌
? 切片
? 拋磨
? 腐蝕
? 觀察
（IPC－TM－650 2.1.1）獲得焊點界面結(jié)構(gòu)的信息
步驟1 取 樣
推薦的樣品剝離方法
剝離方法和設(shè)備
推薦的樣品
切割輪
金屬樣品
切片鋸 金剛石刀片
陶瓷封裝和金屬封裝
刨削機
印制電路板
低熔點再流加熱
金相結(jié)合的芯片
高溫剪鉗
附在環(huán)氧樹脂上的芯片
手持式切割工具
金屬封裝和印制電路板
取樣注意事項
注意：使用工具（取樣機或慢鋸），過程小心！以免制樣造成原來失效現(xiàn)場破壞，產(chǎn)生新的失效。
步驟2 灌封
灌封材料的要求：
高硬度、純凈清潔、低收縮、耐化學(xué)物質(zhì)作用和低溫固化。
常用材料：環(huán)氧樹脂 聚脂和聚丙烯
在灌封前必須對樣品進(jìn)行清洗：
水洗－異丙醇－干燥壓縮空氣吹干
真空浸漬：
確保環(huán)氧樹脂和樣品表面接觸并填充良好。
可能的問題：
開裂（灌封材料和樣品之間）
氣泡（灌封材料內(nèi)部或材料和樣品之間）
步驟3 研磨－用磨料去除樣品的表面物質(zhì) 切割件150粒度400粒度1200粒度2000粒度zui后拋光
砂紙一般采用碳化硅紙
步驟4 拋光
原理與拋光一樣，不同在于磨料是懸浮的。
常用磨料： 金剛石 氧化鋁 膠態(tài)硅石
步驟5 腐 蝕
目的：顯示樣品的反差，并去除在前面過程中可能產(chǎn)生的殘留物和變形層。 如：殘留的錫等。
焊料組成
試驗前已經(jīng)開裂或開路 試驗前部分開裂 器件一端
PCB端
分析案例
染色與滲透測試的作用
2.3.6 紅外顯微鏡分析
原理與直接用途：利用不同有機物對紅外光譜不同吸收的原理，分析有機物成分，結(jié)合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路，就可以分析微量的有機污染物。
•焊點表面（有機）污染物分析（分析腐蝕失效原因）
•可焊性不良的焊盤表面有機污染物分析（分析焊點開路或虛焊的深層次原因）
金手指有機沾污
FT－IR Microscopy
用途：失效原因分析
1） PCBA1838樣品2處白霧狀物質(zhì) 15/12/2005 2）PCBA1837樣品2處白霧狀物質(zhì) 15/12/2005 3）PCBA1838樣品1處白霧狀物質(zhì) 13/12/2005 4）錫線焊后殘留物 13/12/2005
紅外顯微鏡分析-----PCBA污染分析案例
紅外顯微鏡分析--材料一致性檢驗
芯板A
芯板B
2.3.7 掃描電鏡分析技術(shù)
1 失效準(zhǔn)確定位 2 失效原因分析 3 焊點質(zhì)量分析 4 可靠性驗證分析
作用
Ni 層
EDX
SEM
SEM 設(shè)備原理
電子槍發(fā)射的電子束，經(jīng)透鏡和物鏡的縮小和聚焦后，以較小的直徑、較高的能量和強度到達(dá)試樣的表面。 ??在掃描線圈的偏轉(zhuǎn)作用下，電子束以一定時間和空間順序在試樣表面作逐點式掃描運動。 ??入射電子于樣品表面互相作用，產(chǎn)生背散射電子和二次發(fā)射電子。 ??只要樣品表面發(fā)射的兩種電子的一種，即可得到電子掃描的圖象。
掃描電子顯微鏡SEM-檢測原理
?入射電子束與樣品表面作用，將產(chǎn)生多種特征電子束。
?二次電子產(chǎn)生于樣品表面5～10nm范圍內(nèi)，二次電子能夠較好的反映樣品表面的形貌。
?俄歇電子 1nm 特別適用于表面成分分析
?背散射電子產(chǎn)生于樣品表面100～1000nm范圍內(nèi)，隨著物質(zhì)原子序數(shù)的不同而發(fā)射不同特征的背散射電子，因此SEM的背散射電子圖象具有形貌特征和原子序數(shù)判別的能力。－IMC
•二次電子分辨率為5～10nm，常用于表面形貌特征觀察；
•背散射電子分辨率為50～200nm，常用于對表面成分作定性分析；背散射電子像常常用于金屬間化物分析；
•二次電子圖象的放大倍數(shù)可達(dá)幾十萬倍；
•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；
•掃描電鏡圖象景深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡，是顯微斷口結(jié)構(gòu)分析的重要方法。
掃描電子顯微鏡SEM-檢測原理
SEM的應(yīng)用舉例－焊接質(zhì)量評價
IMC分析
應(yīng)用2-PCB 表面處理分析
應(yīng)用3---錫須觀察
•主要用于元素的定性分析；
•能譜儀能夠分析原子序數(shù)大于5的元素，波譜儀可以分析原子序數(shù)從4～92之間的所有元素；
•EDS的分析方式有點分析、線分析和面分析；
•EDS做微區(qū)分析時所激發(fā)的體積為10um3 左右；
•EDS常常與SEM結(jié)合使用，可對目標(biāo)部位進(jìn)行點、線、面形貌掃描和成分分析；
•EDS的定量分析精度較低（檢測限一般>0.2wt%）。
EDS分析方法
EDS的應(yīng)用場合及注意事項
線路發(fā)黑故障分析
發(fā)黑位置是什么物質(zhì)-元素分析
銀氧化是導(dǎo)致發(fā)黑的原因
2.3.8 熱分析技術(shù)
①TGA 熱重分析
②DSC示差掃描熱分析
③TMA熱機械分析
2.3.8.1 TGA 熱重分析
•熱重法（Thermogravimeter）是在程序控溫下，測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度（或時間）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。
•在電子行業(yè)中則主要用于分析各類封裝材料以及PCB板材的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能，以及分層爆板的失效分析。
50100150200250300溫度 /℃65707580859095100TG /%% 溫度查找: 98.00 %225.7 ℃% 溫度查找: 95.00 %262.1 ℃[2]
PCB基材的熱分解溫度
2.3.8.2 DSC 示差掃描熱分析
•差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry）是在程序控溫下，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(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，可通過差熱放大電路和差動熱量補償放大器，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?shù)臒峁β手铍S溫度（或時間）的變化關(guān)系。根據(jù)功率差與溫度（或時間）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。在電子行業(yè)中則主要用于分析無鉛或有鉛焊料的熔點或液固相范圍、封裝材料的固化程度以及PCB失效分析等。
DSC應(yīng)用的例子
PCB基材玻璃化轉(zhuǎn)變
2.3.8.3 TMA熱機械分析
•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(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，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（或時間）的關(guān)系。根據(jù)形變與溫度（或時間）的關(guān)系，可研究分析材料的物理化學(xué)及熱力學(xué)性能。在電子行業(yè)中則主要用于各種無機、有機材料的熱膨脹性能、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及PCB失效分析等領(lǐng)域。