PCB služi kao nosač za mnoge komponente i kao čvorište za prijenos signala u kolu. Postao je vrlo važan i ključni dio elektroničkih informacijskih proizvoda. Kvalitet i razina pouzdanosti PCB-a određuju kvalitet i pouzdanost cijelog uređaja.
Sa miniaturizacijom elektroničkih informacionih proizvoda i potiskom ka ekološkim propisima bez olova i halogena, štampane pločice su se usmjerile ka većoj gustoći, višoj Tg i ekološki prihvatljivijim materijalima. Ali zbog ograničenja u troškovima i tehnologiji, mnogi kvarovi se javljaju tokom Proizvodnja PCB-a i upotrebu. Ovi kvarovi uzrokuju mnoge sporove o kvalitetu. Da bi se utvrdilo zašto se kvarovi javljaju, pronašli načini za njihovo otklanjanje i razjasnila odgovornost, potrebno je provesti analizu kvarova koji se javljaju.
Osnovni koraci u analizi neuspjeha
Da biste utvrdili tačan uzrok ili mehanizam kvara ili defekta na tiskanoj pločici (PCB), potrebno je slijediti osnovna načela i tok analize. Ako ih ne slijedite, možete izgubiti vrijedne informacije o kvaru. Analiza može prestati ili dati pogrešan zaključak. Uobičajeni osnovni tok je sljedeći.
Prvo, na osnovu simptoma kvara, prikupite informacije, izvedite funkcionalne testove, električne testove i jednostavne vizualne preglede. Koristite ih za lociranje oštećenog područja i načina kvara. To je lokalizacija kvara ili greške.
Za jednostavne PCB-ove ili jednostavne PCBA Na pločama je neuspjeli dio lako pronaći. Ali kod složenih uređaja ili podloga, kao što su BGA ili kod MCM paketa, defekti se ne vide lako pod mikroskopom. U početku ih je teško pronaći. U tom slučaju su potrebne druge metode.
Zatim analizirajte mehanizam kvara. Koristite fizičke i hemijske metode za proučavanje mehanizma koji je doveo do kvara ili defekta na tiskanoj pločici. Ti mehanizmi mogu uključivati hladne lemne spojeve, kontaminaciju, mehanička oštećenja, stres uzrokovan vlagom, dielektričnu koroziju, oštećenja od zamora materijala, CAF ili ionsku migraciju, preopterećenje stresom i slično.
Nakon toga analizirajte osnovni uzrok kvara. Na osnovu mehanizma kvara i procesa proizvodnje potražite razloge koji su doveli do njegovog nastanka. Ako je potrebno, provedite eksperimente za potvrdu uzroka. Testnu verifikaciju biste trebali provoditi kad god je to moguće. Eksperimenti mogu otkriti tačan uzrok koji je doveo do kvara.
Ovo potom pruža jasnu, ciljanu osnovu za sljedeći korak poboljšanja. Napravite izvještaj o analizi neuspjeha na osnovu podataka iz testiranja, činjenica i zaključaka iz analize. Činjenice moraju biti jasne. Logika mora biti čvrsta. Raspored mora biti uredan. Nemojte pretpostavljati uzroke bez dokaza.
Tokom analize koristite metode od jednostavnih do složenih, od vanjskih prema unutrašnjim i od nedestruktivnih do destruktivnih. Slijedite ova osnovna pravila. Samo tako možete izbjeći gubitak ključnih informacija i dodavanje novih, ljudskim djelovanjem izazvanih mehanizama kvara.
Ovo je kao saobraćajna nesreća. Ako jedna strana uništi mjesto nesreće ili pobjegne, čak ni iskusan policajac ne može ispravno procijeniti odgovornost. Saobraćajni zakon obično zahtijeva da strana koja je pobjegla ili uništila mjesto nesreće snosi svu odgovornost.
Isto važi i za analizu kvarova PCB-a ili PCBA. Ako neko upotrijebi lemilicu da preradi neuspjeli lemni spoj ili teške škare da prereže PCB, naknadna analiza je nemoguća. Mjesto kvara je uništeno. Ovo je posebno loše kada postoji samo nekoliko neuspjelih uzoraka. Ako je mjesto kvara oštećeno, pravi uzrok se ne može pronaći.
Tehnike analize neuspjeha
Optički mikroskop
Optički mikroskop je uglavnom namijenjen vizualnom pregledu štampane pločice. Koristite ga za pronalaženje oštećenog područja i povezanih fizičkih dokaza. On daje prvu procjenu načina otkaza. Vizualni pregled traži kontaminaciju pločice, koroziju, napukle pločice, tragove krugova i obrasce oštećenja. Na primjer, provjerite da li se oštećenja pojavljuju u grupama ili su pojedinačni slučajevi. Provjerite da li se oštećenja uvijek gomilaju u jednom području.
Rentgenski snimak (rentgenska inspekcija)
Za dijelove koje nije moguće pregledati vizualnom inspekcijom, ili za unutrašnje nedostatke u prolaznim rupama i druge unutrašnje defekte, koristite rendgenski sistem za snimanje. Rendgenski sistem radi na principu različite apsorpcije ili transmisije rendgenskih zraka kroz materijale različitih debljina ili gustoća. To stvara slike. Ljudi često koriste rendgensko snimanje za inspekciju unutrašnjih nedostataka u lemnim spojevima PCBA, unutrašnjih nedostataka u prolaznim rupama i za lociranje neispravnih lemnih spojeva u visokogustoćnim paketima poput BGA ili CSP.
Analiza poprečnog presjeka
Analiza poprečnog presjeka podrazumijeva uzorkovanje, ugradnju, rezanje, poliranje, graviranje i posmatranje presjeka tiskane pločice. Ovaj proces otkriva unutrašnju strukturu pločice. Kroz analizu poprečnog presjeka dobivate bogate informacije o mikrostrukturi karakteristika pločice (kao što su prolazne rupe i pozlatna obrada). To pomaže u vođenju poboljšanja kvaliteta. Međutim, ova metoda je destruktivna. Jednom kada prerežete uzorak, on je uništen.
Skenerirajuća akustična mikroskopija (SAM)
Danas je glavni alat za analizu pakovanja i sklapanja C-modno skenirajuća akustična mikroskopija. Ona koristi visokofrekventne ultrazvučne valove. Ti se valovi odbijaju na materijalnim diskontinuitetima. Promjena amplitude, faze i polariteta koristi se za formiranje slika. Skeniranje se kreće duž Z-ose kako bi se zabilježile informacije iz X-Y ravnine.
Stoga SAM može otkriti mnoge unutrašnje nedostatke u komponentama, materijalima i PCB-ovima ili PCBAs. Otkriva pukotine, delaminaciju, inkluzije i praznine. Ako je frekvencijski raspon SAM-a dovoljno širok, može otkriti i unutrašnje nedostatke u lemnim spojevima.
Tipične SAM slike koriste upozoravajuću boju, poput crvene, za prikaz defekata. Tokom prelaska sa olovnih na olovno-slobodne SMT procese pojavili su se brojni problemi pri refluksu povezani s vlagom. Plastične ambalaže koje su upile vlagu mogu se delaminirati ili napuknuti iznutra kada se refluksiraju na višim temperaturama olovno-slobodnih procesa. Obične tiskane pločice također se mogu napuknuti ili delaminirati na tim višim temperaturama.
U ovom slučaju SAM pokazuje posebne prednosti za nedestruktivno ispitivanje višeslojnih, visokog gustine tiskanih pločica. Međutim, velike vidljive pukotine na pločama ili oštećene ploče obično se mogu pronaći jednostavnom vizualnom inspekcijom.
Mikro-FTIR (mikroskalna infracrvena analiza)
Mikro-infracrvena analiza kombinira infracrvenu spektroskopiju i mikroskopiju. Ona koristi činjenicu da različiti materijali—uglavnom organski materijali—apsorbiraju infracrveno svjetlo na različite načine. Na taj način možete analizirati hemijske komponente materijala. Mikroskopom vidljivo svjetlo i infracrveno svjetlo mogu dijeliti isti put svjetlosti. U vidnom polju možete pronaći male količine organske kontaminacije za analizu.
Bez mikroskopa, infracrvena spektroskopija obično zahtijeva veću količinu uzorka. U elektroničkim procesima, sitna kontaminacija može uzrokovati lošu lemljivost padova ili vodova. Dakle, bez infracrvene spektroskopije povezane s mikroskopom, teško je riješiti neke probleme u procesu. Micro-FTIR se uglavnom koristi za analizu organske kontaminacije na površinama za lemljenje ili na spojevima te za analizu uzroka korozije ili loše lemljivosti.
Skenerirajući elektronski mikroskop (SEM)
Skenerirajući elektronski mikroskop je koristan veliki sistem za snimanje u analizi kvarova. Koristi se za morfološko posmatranje. Moderni SEM-ovi su moćni. Mogu uvećati sitne strukture ili površinske karakteristike do stotina hiljada puta.
U analizi kvarova na tiskanim pločicama ili lemnim spojevima, SEM se uglavnom koristi za analizu mehanizama kvara. Konkretno, SEM se koristi za posmatranje morfologije površine padova, metalografske strukture lemnih spojeva, mjerenje intermetalnih spojeva, analizu lemivih premaza te analizu i mjerenje kalajnih brkova.
U poređenju s optičkim mikroskopom, SEM stvara elektronsku sliku, pa je crno-bijela. Uzorci za SEM moraju biti provodni. Za nevodljive materijale i neke poluvodiče potrebno je premazati uzorak zlatom ili ugljikom. U suprotnom će se na površini uzorka nakupiti naboj i utjecati na promatranje. SEM slike imaju znatno veću dubinsku oštrinu nego optički mikroskopi. Za metalografske strukture, površine mikro pukotina i kositrače SEM je važna metoda analize.
Termalna analiza
Diferencijalna skenirajuća kalorimetrija (DSC)
DSC mjeri razliku u toplotnoj snazi između ispitivanog uzorka i referentnog uzorka pri temperaturi kontroliranoj programom. Bilježi odnos između razlike u snazi i temperature ili vremena. DSC proučava kako se toplota mijenja s temperaturom. Na temelju toga možete proučavati fizičko, kemijsko i termodinamičko ponašanje materijala.
DSC ima mnogo primjena. U analizi tiskanih pločica (PCB) DSC se uglavnom koristi za mjerenje stupnja očvršćivanja i temperature staklenog prijelaza (Tg) polimera koji se koriste u PCB-u. Ova dva parametra određuju pouzdanost PCB-a tokom kasnijih koraka procesa.
Termomehanička analiza (TMA)
TMA mjeri ponašanje pri deformaciji čvrstih tvari, tečnosti i gelova pod temperaturom ili mehaničkom silom kontroliranom programom. Istražuje vezu između termičkog i mehaničkog ponašanja. Na osnovu deformacije u odnosu na temperaturu (ili vrijeme) možete proučavati fizička i hemijska svojstva materijala i termodinamiku.
U analizi PCB-a, TMA uglavnom mjeri dva ključna parametra: koeficijent linearnog širenja i temperaturu staklenog prijelaza. Ako osnovni materijal ima veliki koeficijent širenja, PCB često može doživjeti lom metaliziranih prolaza nakon lemljenja i sklapanja.
Termogravimetrijska analiza (TGA)
TGA mjeri promjenu mase supstance pod kontroliranom temperaturom ili vremenom prema programu. Uz preciznu vagu, TGA može pratiti male promjene mase tokom ispitivanja pri kontroliranoj temperaturi.
Iz krivulje promjene mase u odnosu na temperaturu (ili vrijeme) možete proučiti fizičko i kemijsko ponašanje materijala i termodinamiku. U analizi PCB-a TGA se uglavnom koristi za mjerenje toplinske stabilnosti ili temperature razgradnje PCB materijala. Ako supstrat ima prenisku temperaturu razgradnje, PCB će se odlamati ili napuknuti tijekom lemljenja na visokim temperaturama.
Završne napomene i podsjetnici o najboljim praksama
Kada planirate analizu neuspjeha, slijedite jasan, korak-po-korak pristup. Počnite s vizualnim i nedeštruktivnim pregledima. Koristite električna ispitivanja i prikupljanje informacija. Zatim prijeđite na metode snimanja poput rendgenskog snimanja i SAM-a. Ako je potrebno, koristite mikrokemičke alate poput mikro-FTIR-a i površinsko snimanje poput SEM-a. Rezervirajte destruktivna ispitivanja, poput presjeka, za situacije kada su vam potrebne informacije o mikrostrukturi i kada količina uzorka dopušta uništenje.
Uvijek bilježite podatke i čuvajte jasne činjenice. Koristite najjednostavnije logičke korake. Dokazujte zaključke eksperimentima kad god je to moguće. Nemojte mijenjati ili oštećivati mjesto kvara prije nego što ga dokumentirate, jer kad se mjesto kvara promijeni, pravi uzrok može biti izgubljen. Slijedite pravilo: od jednostavnog ka složenom, od vanjskog ka unutrašnjem, od nedestruktivnog ka destruktivnom. To štedi vrijeme i daje ispravne rezultate analize.