Die Leiterplatte dient als Träger für viele Komponenten und als Knotenpunkt für die Signalübertragung. Sie ist zu einem sehr wichtigen und zentralen Bestandteil elektronischer Informationsprodukte geworden. Die Qualität und Zuverlässigkeit der Leiterplatte entscheiden über die Qualität und Zuverlässigkeit des gesamten Geräts.

Mit der Miniaturisierung elektronischer Informationsprodukte und dem Drängen auf blei- und halogenfreie Umweltvorschriften haben sich die Leiterplatten in Richtung höhere Dichte, höhere Tg und umweltfreundlichere Materialien entwickelt. Doch aufgrund von Kosten- und Technologiebeschränkungen kommt es zu vielen Ausfällen während PCB-Herstellung und Verwendung. Diese Fehler verursachen viele Qualitätsstreitigkeiten. Um herauszufinden, warum Fehler auftreten, um Wege zu ihrer Behebung zu finden und um die Verantwortung zu klären, ist es notwendig, eine Fehleranalyse für die auftretenden Fehler durchzuführen.

Grundlegende Schritte der Fehleranalyse

Um die genaue Ursache oder den Mechanismus eines Leiterplattenfehlers oder -defekts zu ermitteln, müssen grundlegende Prinzipien und ein Analyseablauf befolgt werden. Wenn Sie diese nicht befolgen, können Sie wertvolle Fehlerinformationen verlieren. Die Analyse kann abbrechen oder zu einer falschen Schlussfolgerung führen. Ein üblicher grundlegender Ablauf sieht wie folgt aus.

Sammeln Sie zunächst auf der Grundlage des Fehlersymptoms Informationen, führen Sie Funktionstests, elektrische Tests und einfache Sichtprüfungen durch. Auf diese Weise können Sie den fehlerhaften Bereich und die Fehlerart ermitteln. Dies ist die Fehlerlokalisierung oder Fehlerlokalisierung.

Für einfache PCBs oder einfache PCBA Leiterplatten ist das defekte Teil leicht zu finden. Aber bei komplexen Geräten oder Substraten, wie z. B. BGA oder MCM-Gehäusen sind Defekte mit einem Mikroskop nicht leicht zu erkennen. Sie sind anfangs schwer zu finden. Zu diesem Zeitpunkt sind andere Methoden erforderlich.

Analysieren Sie anschließend den Ausfallmechanismus. Verwenden Sie physikalische und chemische Methoden, um den Mechanismus zu untersuchen, der zum Ausfall oder Defekt der Leiterplatte geführt hat. Zu diesen Mechanismen können kalte Lötstellen, Verunreinigungen, mechanische Schäden, feuchtigkeitsbedingte Spannungen, dielektrische Korrosion, Ermüdungsschäden, CAF- oder Ionenmigration, Überlastungen usw. gehören.

Analysieren Sie anschließend die Grundursache des Fehlers. Suchen Sie auf der Grundlage des Fehlermechanismus und des Herstellungsprozesses nach den Gründen, die den Mechanismus ausgelöst haben. Falls erforderlich, führen Sie Experimente durch, um die Ursache zu verifizieren. Wann immer möglich, sollten Sie Testverifizierungen durchführen. Mit Hilfe von Experimenten kann die genaue Ursache für das Versagen ermittelt werden.

Dies gibt dann eine klare, zielgerichtete Grundlage für den nächsten Verbesserungsschritt. Erstellen Sie den Fehleranalysebericht auf der Grundlage der Testdaten, der Fakten und der Schlussfolgerungen aus der Analyse. Die Fakten müssen klar sein. Die Logik muss straff sein. Das Layout muss geordnet sein. Bilden Sie keine Ursachen ohne Beweise.

Verwenden Sie bei der Analyse Methoden von einfach bis komplex, von außen bis innen und von zerstörungsfrei bis zerstörend. Befolgen Sie diese Grundregeln. Nur so können Sie vermeiden, dass wichtige Informationen verloren gehen und neue, von Menschen gemachte Fehlermöglichkeiten hinzukommen.

Das ist wie bei einem Verkehrsunfall. Wenn eine Partei den Tatort zerstört oder wegläuft, kann selbst ein erfahrener Polizeibeamter die Verantwortung nicht richtig einschätzen. Das Verkehrsrecht verlangt in der Regel, dass derjenige, der weggelaufen ist oder die Unfallstelle zerstört hat, die gesamte Verantwortung trägt.

Das Gleiche gilt für die Analyse von PCB- oder PCBA-Fehlern. Wenn jemand einen Lötkolben benutzt, um eine defekte Lötstelle nachzubearbeiten oder eine Leiterplatte mit einer schweren Schere zerschneidet, ist eine spätere Analyse unmöglich. Die Fehlerszene ist zerstört. Dies ist besonders schlimm, wenn es nur wenige ausgefallene Muster gibt. Wenn die Fehlerszene beschädigt ist, kann die wahre Ursache nicht gefunden werden.

Techniken der Fehleranalyse

Optisches Mikroskop

Ein optisches Mikroskop dient hauptsächlich der visuellen Inspektion der Leiterplatte. Es dient dazu, den fehlerhaften Bereich und die entsprechenden physischen Beweise zu finden. Es ermöglicht eine erste Einschätzung der Fehlerart. Bei der Sichtprüfung wird nach Verunreinigungen der Leiterplatte, Korrosion, gerissenen Leiterplatten, Leiterbahnen und Fehlermustern gesucht. Prüfen Sie zum Beispiel, ob Ausfälle in Chargen auftreten oder ob es sich um Einzelfälle handelt. Prüfen Sie, ob sich Ausfälle immer in einem Bereich häufen.

Röntgen (Röntgenprüfung)

Für Teile, die bei der Sichtprüfung nicht sichtbar sind, oder für interne Defekte in Durchgangslöchern und andere innere Defekte wird ein Röntgenbildgebungssystem verwendet. Das Röntgensystem funktioniert durch die unterschiedliche Absorption oder Transmission von Röntgenstrahlen durch Materialien unterschiedlicher Dicke oder Dichte. Dadurch werden Bilder erzeugt. Röntgenstrahlen werden häufig eingesetzt, um innere Defekte in PCBA-Lötstellen, innere Defekte in Durchgangslöchern und defekte Lötstellen in hochdichten Gehäusen wie BGA oder CSP zu untersuchen.

Querschnittsanalyse

Bei der Querschnittsanalyse wird ein Leiterplattenquerschnitt entnommen, eingebettet, in Scheiben geschnitten, poliert, geätzt und betrachtet. Dieser Prozess zeigt die innere Struktur der Leiterplatte. Durch die Querschnittsanalyse erhalten Sie umfangreiche Mikrostrukturinformationen über PCB-Merkmale (z. B. Durchgangslöcher und Beschichtungen). Dies hilft, die Qualität zu verbessern. Aber diese Methode ist zerstörerisch. Sobald man die Probe aufschneidet, wird sie zerstört.

Akustische Abtastmikroskopie (SAM)

Das wichtigste Werkzeug für die Verpackungs- und Montageanalyse ist heute die akustische C-Mode-Rastermikroskopie. Sie verwendet hochfrequente Ultraschallwellen. Diese Wellen werden an Diskontinuitäten im Material reflektiert. Die Änderung von Amplitude, Phase und Polarität wird zur Erzeugung von Bildern genutzt. Der Scan bewegt sich entlang der Z-Achse, um Informationen der X-Y-Ebene aufzuzeichnen.

Daher kann SAM viele interne Defekte in Komponenten, Materialien und PCBs oder PCBAs erkennen. Es findet Risse, Delaminationen, Einschlüsse und Hohlräume. Wenn der SAM-Frequenzbereich breit genug ist, können auch innere Defekte in Lötstellen erkannt werden.

Typische SAM-Bilder verwenden eine Warnfarbe, z. B. Rot, um Defekte anzuzeigen. Bei der Umstellung von bleihaltigen auf bleifreie SMT-Prozesse sind viele feuchtigkeitsbedingte Reflow-Probleme aufgetreten. Durch Feuchtigkeit absorbierte Kunststoffgehäuse können delaminieren oder im Inneren reißen, wenn sie bei den höheren Temperaturen der bleifreien Prozesse reflowed werden. Auch gewöhnliche Leiterplatten können bei diesen höheren Temperaturen Risse oder Delaminationen aufweisen.

In diesem Fall zeigt SAM besondere Vorteile bei der zerstörungsfreien Prüfung von mehrlagigen Leiterplatten mit hoher Packungsdichte. Große sichtbare Leiterplattenrisse oder durchgebrannte Leiterplatten können jedoch in der Regel durch einfache Sichtprüfung gefunden werden.

Mikro-FTIR (mikroskalige Infrarotanalyse)

Die Mikro-Infrarot-Analyse kombiniert die Infrarotspektroskopie mit der Mikroskopie. Sie nutzt die Tatsache, dass verschiedene Materialien - vor allem organische Materialien - Infrarotlicht unterschiedlich absorbieren. Auf diese Weise können Sie die chemischen Bestandteile eines Materials analysieren. Mit einem Mikroskop können sichtbares Licht und Infrarotlicht denselben Lichtweg benutzen. Im sichtbaren Bereich können Sie kleine Mengen organischer Verunreinigungen finden und analysieren.

Ohne Mikroskop wird für die Infrarotspektroskopie normalerweise eine größere Probenmenge benötigt. Bei elektronischen Prozessen können winzige Verunreinigungen zu einer schlechten Lötbarkeit eines Pads oder einer Leitung führen. Ohne mikroskopisch gekoppeltes Infrarot ist es daher schwierig, einige Prozessprobleme zu lösen. Mikro-FTIR wird hauptsächlich eingesetzt, um organische Verunreinigungen auf Lötflächen oder Lötstellen zu analysieren und um die Ursachen für Korrosion oder schlechte Lötbarkeit zu ermitteln.

Rasterelektronenmikroskop (SEM)

Ein Rasterelektronenmikroskop ist ein hilfreiches großes Abbildungssystem für die Fehleranalyse. Es wird für die Beobachtung der Morphologie verwendet. Moderne SEMs sind leistungsstark. Sie können feine Strukturen oder Oberflächenmerkmale bis zum Hunderttausendfachen vergrößern.

Bei der Analyse von Leiterplatten- oder Lötstellenfehlern dient die REM hauptsächlich der Analyse von Fehlermechanismen. Insbesondere wird die REM zur Beobachtung der Oberflächenmorphologie von Pads, der metallografischen Struktur von Lötstellen, zur Messung intermetallischer Verbindungen, zur Analyse lötbarer Beschichtungen und zur Analyse und Messung von Zinnwhiskern eingesetzt.

Im Vergleich zu einem Lichtmikroskop erzeugt ein REM ein Elektronenbild, es ist also schwarz-weiß. SEM-Proben müssen leitfähig sein. Bei Nichtleitern und einigen Halbleitern müssen Sie die Probe mit Gold oder Kohlenstoff beschichten. Andernfalls sammelt sich Ladung auf der Probenoberfläche an und beeinträchtigt die Beobachtung. REM-Bilder haben eine viel größere Tiefenschärfe als Lichtmikroskope. Für metallographische Strukturen, Mikrobruchflächen und Zinnwhisker ist die REM eine wichtige Analysemethode.

Thermische Analyse

Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC)

Die DSC misst die Leistungsdifferenz zwischen einer Testprobe und einer Referenzprobe bei programmgesteuerter Temperatur. Sie zeichnet das Verhältnis zwischen Leistungsdifferenz und Temperatur oder Zeit auf. Die DSC untersucht, wie sich die Wärme mit der Temperatur ändert. Auf diese Weise können Sie das physikalische, chemische und thermodynamische Verhalten von Materialien untersuchen.

Die DSC ist vielseitig einsetzbar. Bei der Leiterplattenanalyse wird die DSC hauptsächlich zur Messung des Aushärtungsgrads und der Glasübergangstemperatur (Tg) der in der Leiterplatte verwendeten Polymere verwendet. Diese beiden Parameter bestimmen die Zuverlässigkeit der Leiterplatte in späteren Prozessschritten.

Thermomechanische Analyse (TMA)

TMA misst das Verformungsverhalten von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gelen unter programmgesteuerter Temperatur oder mechanischer Kraft. Es untersucht die Verbindung zwischen thermischem und mechanischem Verhalten. Anhand der Verformung in Abhängigkeit von der Temperatur (oder Zeit) können Sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften und die Thermodynamik von Materialien untersuchen.

Bei der Leiterplattenanalyse misst die TMA hauptsächlich zwei Schlüsselparameter: den linearen Ausdehnungskoeffizienten und die Glasübergangstemperatur. Wenn das Basismaterial einen großen Ausdehnungskoeffizienten hat, kann die Leiterplatte nach dem Löten und der Montage häufig einen Bruch der metallisierten Durchkontaktierung erleiden.

Thermogravimetrische Analyse (TGA)

Die TGA misst die Massenänderung einer Substanz unter programmgesteuerter Temperatur oder Zeit. Mit einer präzisen Waage kann die TGA kleine Massenänderungen während eines kontrollierten Temperaturverlaufs verfolgen.

Anhand der Kurve der Massenänderung in Abhängigkeit von der Temperatur (oder der Zeit) können Sie das physikalische und chemische Verhalten und die Thermodynamik von Materialien untersuchen. Bei der Leiterplattenanalyse wird die TGA hauptsächlich zur Messung der thermischen Stabilität oder der Zersetzungstemperatur von Leiterplattenmaterialien verwendet. Wenn ein Substrat eine zu niedrige Zersetzungstemperatur hat, wird die Leiterplatte beim Löten bei hohen Temperaturen delaminiert oder reißt.

Abschließende Anmerkungen und Hinweise zu bewährten Verfahren

Wenn Sie eine Fehleranalyse planen, sollten Sie ein klares, schrittweises Vorgehen verfolgen. Beginnen Sie mit visuellen und zerstörungsfreien Prüfungen. Nutzen Sie elektrische Tests und die Sammlung von Informationen. Gehen Sie dann zu bildgebenden Verfahren wie Röntgen und SAM über. Falls erforderlich, verwenden Sie mikrochemische Werkzeuge wie Mikro-FTIR und Oberflächenabbildung wie SEM. Reservieren Sie zerstörende Prüfungen wie Querschliffe für den Fall, dass Sie Informationen über die Mikrostruktur benötigen und die Probenmenge eine Zerstörung zulässt.

Erfassen Sie stets Daten und halten Sie die Fakten fest. Verwenden Sie die einfachsten logischen Schritte. Beweisen Sie Schlussfolgerungen wenn möglich mit Experimenten. Verändern oder beschädigen Sie die Fehlerszene nicht, bevor Sie sie dokumentieren, denn wenn die Szene verändert wird, kann die wahre Ursache verloren gehen. Befolgen Sie die Regel: einfach zu komplex, außen zu innen, zerstörungsfrei zu zerstörend. Das spart Zeit und führt zu korrekten Analyseergebnissen.