DPS slouží jako nosič pro mnoho součástek a jako centrum pro přenos signálu z obvodu. Stala se velmi důležitou a klíčovou součástí elektronických informačních produktů. Úroveň kvality a spolehlivosti desky plošných spojů rozhoduje o kvalitě a spolehlivosti celého zařízení.

S miniaturizací elektronických informačních produktů a snahou o zavedení bezolovnatých a bezhalogenových ekologických pravidel se desky plošných spojů posunuly směrem k vyšší hustotě, vyšší Tg a ekologičtějším materiálům. Kvůli nákladům a technologickým omezením však dochází k mnoha poruchám během výroby. Výroba desek plošných spojů a použití. Tyto nedostatky jsou příčinou mnoha sporů o kvalitu. Aby bylo možné zjistit, proč k poruchám dochází, najít způsoby jejich odstranění a vyřešit odpovědnost, je nutné provést analýzu poruch, které se vyskytnou.

Základní kroky při analýze poruch

Pro zjištění přesné příčiny nebo mechanismu poruchy nebo vady desky plošných spojů je třeba dodržet základní zásady a postup analýzy. Pokud je nedodržíte, můžete přijít o cenné informace o poruše. Analýza se může zastavit nebo poskytnout nesprávný závěr. Běžný základní průběh je následující.

Nejprve na základě příznaku poruchy shromážděte informace, proveďte funkční testy, elektrické testy a jednoduché vizuální kontroly. Pomocí nich najděte oblast, kde došlo k poruše, a způsob poruchy. Jedná se o lokalizaci poruchy nebo lokalizaci závady.

Pro jednoduché desky plošných spojů nebo jednoduché PCBA desky, neúspěšnou část lze snadno najít. Ale u složitých zařízení nebo substrátů, jako jsou např. BGA nebo MCM balíčků, není snadné vady pozorovat mikroskopem. Zpočátku je těžké je najít. V té době je třeba použít jiné metody.

Dále analyzujte mechanismus selhání. Pomocí fyzikálních a chemických metod prozkoumejte mechanismus, který vedl k poruše nebo závadě na desce plošných spojů. Tyto mechanismy mohou zahrnovat studené pájecí spoje, kontaminaci, mechanické poškození, namáhání způsobené vlhkostí, dielektrickou korozi, únavové poškození, migraci CAF nebo iontů, přetížení atd.

Poté analyzujte hlavní příčinu selhání. Na základě mechanismu poruchy a výrobního procesu hledejte příčiny, které způsobily, že k mechanismu došlo. V případě potřeby proveďte experimenty k ověření příčiny. Měli byste provést testovací ověření, kdykoli je to možné. Experimenty mohou najít přesnou příčinu, která vedla k selhání.

Tím získáte jasný a cílený základ pro další krok ke zlepšení. Zpracujte zprávu o analýze poruch na základě údajů z testů, faktů a závěrů z analýzy. Fakta musí být jasná. Logika musí být pevná. Uspořádání musí být přehledné. Nepředstavujte si příčiny bez důkazů.

Při analýze používejte metody od jednoduchých po složité, od vnějších po vnitřní a od nedestruktivních po destruktivní. Dodržujte tato základní pravidla. Jen tak se vyhnete ztrátě klíčových informací a zabráníte přidání nových, lidmi vytvořených mechanismů poruch.

Je to jako dopravní nehoda. Pokud jeden z účastníků zničí místo nehody nebo uteče, nemůže ani zkušený policista správně posoudit odpovědnost. Dopravní zákon obvykle vyžaduje, aby veškerou odpovědnost nesl účastník, který utekl nebo který zničil místo nehody.

Totéž platí pro analýzu poruch desek plošných spojů nebo desek plošných spojů. Pokud někdo použije pájku k přepracování neúspěšného pájecího spoje nebo použije těžké nůžky ke stříhání desky plošných spojů, pozdější analýza je nemožná. Místo poruchy je zničeno. To je obzvláště špatné, když existuje jen několik selhaných vzorků. Pokud je místo poruchy poškozeno, nelze zjistit skutečnou příčinu.

Techniky analýzy poruch

Optický mikroskop

Optický mikroskop slouží především k vizuální kontrole desky plošných spojů. Použijte jej k nalezení poškozeného místa a souvisejících fyzických důkazů. Umožňuje první posouzení způsobu poruchy. Při vizuální kontrole se hledá znečištění PCB, koroze, prasklé desky, stopy obvodů a vzory poruch. Například zkontroluje, zda poruchy přicházejí v dávkách, nebo se jedná o jednotlivé případy. Zkontrolujte, zda se poruchy shlukují vždy v jedné oblasti.

Rentgen (rentgenová kontrola)

U dílů, které nelze vidět vizuální kontrolou, nebo u vnitřních vad v průchozích otvorech a jiných vnitřních vad použijte rentgenový zobrazovací systém. Rentgenový systém funguje na základě rozdílné absorpce nebo propustnosti rentgenového záření materiály různé tloušťky nebo hustoty. Tím se vytvářejí obrazy. Lidé často používají rentgen ke kontrole vnitřních vad v pájecích spojích PCBA, vnitřních vad v průchozích otvorech a k lokalizaci vadných pájecích spojů v pouzdrech s vysokou hustotou, jako jsou BGA nebo CSP.

Průřezová analýza

Analýza průřezu znamená odběr vzorků, osazení, krájení, leštění, leptání a pozorování průřezu DPS. Tento proces ukazuje vnitřní strukturu desky plošných spojů. Analýzou průřezu získáte bohaté informace o mikrostruktuře prvků DPS (např. průchozí otvory a pokovení). To pomáhá řídit zlepšování kvality. Tato metoda je však destruktivní. Jakmile vzorek nařežete, je zničen.

Skenovací akustická mikroskopie (SAM)

Hlavním nástrojem pro analýzu obalů a sestav je dnes skenovací akustická mikroskopie v C-módu. Ta využívá vysokofrekvenční ultrazvukové vlny. Tyto vlny se odrážejí od nespojitostí materiálu. Změna amplitudy, fáze a polarity se využívá k vytvoření obrazu. Skenování se pohybuje podél osy Z a zaznamenává informace v rovině X-Y.

SAM proto dokáže odhalit mnoho vnitřních vad součástek, materiálů a desek plošných spojů nebo desek PCBA. Vyhledává trhliny, delaminace, inkluze a dutiny. Pokud je frekvenční rozsah SAM dostatečně široký, může odhalit i vnitřní vady pájecích spojů.

Typické snímky SAM zobrazují vady výstražnou barvou, například červenou. Během přechodu od olověných k bezolovnatým procesům SMT se objevilo mnoho problémů souvisejících s vlhkostí při přetavování. Plastové obaly absorbující vlhkost se mohou při přetavování při vyšších teplotách bezolovnatých procesů uvnitř rozvrstvit nebo prasknout. Běžné desky plošných spojů mohou při těchto vyšších teplotách také praskat nebo se odlupovat.

V tomto případě vykazuje SAM zvláštní výhody pro nedestruktivní testování vícevrstvých desek plošných spojů s vysokou hustotou. Velké viditelné trhliny na deskách nebo vyfouknuté desky však lze obvykle zjistit pouhou vizuální kontrolou.

Micro-FTIR (infračervená analýza v mikroměřítku)

Mikroinfračervená analýza kombinuje infračervenou spektroskopii s mikroskopií. Využívá skutečnosti, že různé materiály - především organické - pohlcují infračervené světlo různě. Tímto způsobem lze analyzovat chemické složky materiálu. Pomocí mikroskopu může viditelné světlo a infračervené světlo sdílet stejnou světelnou cestu. Pod viditelným polem můžete najít malé množství organického znečištění, které je třeba analyzovat.

Infračervená spektroskopie bez mikroskopu obvykle vyžaduje větší množství vzorku. V elektronických procesech může drobné znečištění způsobit špatnou pájitelnost podložky nebo olova. Bez infračervené spektroskopie s mikroskopem je tedy obtížné řešit některé procesní problémy. Mikro-FTIR se používá především k analýze organického znečištění na pájecích površích nebo pájecích spojích a k analýze příčin koroze nebo špatné pájitelnosti.

Skenovací elektronový mikroskop (SEM)

Rastrovací elektronový mikroskop je užitečný velký zobrazovací systém pro analýzu poruch. Používá se k pozorování morfologie. Moderní SEM jsou výkonné. Dokážou zvětšit jemné struktury nebo povrchové rysy až stotisíckrát.

Při analýze poruch desek plošných spojů nebo pájecích spojů slouží SEM především k analýze mechanismů poruch. Konkrétně se SEM používá k pozorování morfologie povrchu plošek, metalografické struktury pájecích spojů, k měření intermetalických sloučenin, k analýze pájitelných povlaků a k analýze a měření whisker cínu.

Ve srovnání s optickým mikroskopem vytváří SEM elektronový obraz, takže je černobílý. Vzorky pro SEM musí být vodivé. U nevodičů a některých polovodičů musíte vzorek pokrýt zlatem nebo uhlíkem. Jinak se na povrchu vzorku nahromadí náboj a ovlivní pozorování. Snímky ze SEM mají mnohem větší hloubku ostrosti než optické mikroskopy. Pro metalografické struktury, povrchy mikrotrhlin a cínové whiskery je SEM důležitou metodou analýzy.

Tepelná analýza

Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC)

DSC měří rozdíl výkonu mezi testovaným vzorkem a referenčním vzorkem při teplotě řízené programem. Zaznamenává vztah mezi rozdílem výkonů a teplotou nebo časem. DSC zkoumá, jak se teplo mění s teplotou. Na základě toho lze studovat fyzikální, chemické a termodynamické chování materiálů.

DSC má mnohostranné využití. Při analýze desek plošných spojů se DSC používá především k měření stupně vytvrzení a teploty skelného přechodu (Tg) polymerů použitých v deskách plošných spojů. Tyto dva parametry určují spolehlivost DPS během pozdějších procesních kroků.

Termomechanická analýza (TMA)

TMA měří deformační chování pevných látek, kapalin a gelů při programově řízené teplotě nebo mechanické síle. Studuje souvislost mezi tepelným a mechanickým chováním. Na základě závislosti deformace na teplotě (nebo čase) lze studovat fyzikální a chemické vlastnosti materiálu a termodynamiku.

Při analýze desek plošných spojů se pomocí TMA měří především dva klíčové parametry: koeficient lineární roztažnosti a teplota skelného přechodu. Pokud má základní materiál velký koeficient roztažnosti, může po pájení a osazení desky plošných spojů často dojít k lomu pokovených průchodek.

Termogravimetrická analýza (TGA)

TGA měří změnu hmotnosti látky při programově řízené teplotě nebo čase. S přesnou váhou může TGA sledovat malé změny hmotnosti během řízené teploty.

Z křivky závislosti změny hmotnosti na teplotě (nebo čase) lze studovat fyzikální a chemické chování materiálu a termodynamiku. Při analýze desek plošných spojů se TGA používá především k měření tepelné stability nebo teploty rozkladu materiálů desek plošných spojů. Pokud má substrát příliš nízkou teplotu rozkladu, dojde při vysokoteplotním pájení k delaminaci nebo prasknutí DPS.

Závěrečné poznámky a upozornění na osvědčené postupy

Při plánování analýzy selhání postupujte jasně a krok za krokem. Začněte vizuálními a nedestruktivními kontrolami. Použijte elektrické testy a sběr informací. Poté přejděte k zobrazovacím metodám, jako je rentgen a SAM. V případě potřeby použijte mikrochemické nástroje, jako je mikro-FTIR, a zobrazování povrchu, jako je SEM. Destruktivní zkoušky, jako je řezání, si vyhraďte pro případy, kdy potřebujete informace o mikrostruktuře a kdy množství vzorku umožňuje destrukci.

Vždy zaznamenávejte údaje a uchovávejte jasná fakta. Používejte nejjednodušší logické kroky. Pokud je to možné, dokazujte závěry pomocí experimentů. Neměňte ani nepoškozujte místo poruchy před tím, než jej zdokumentujete, protože jakmile je místo změněno, může se ztratit skutečná příčina. Řiďte se pravidlem: od jednoduchého ke složitému, od vnějšího k vnitřnímu, od nedestruktivního k destruktivnímu. To šetří čas a přináší správné výsledky analýzy.