Η πλακέτα λειτουργεί ως φορέας για πολλά εξαρτήματα και ως κόμβος για τη μεταφορά σημάτων του κυκλώματος. Έχει γίνει ένα πολύ σημαντικό και βασικό μέρος των ηλεκτρονικών προϊόντων πληροφοριών. Το επίπεδο ποιότητας και αξιοπιστίας του PCB καθορίζει την ποιότητα και την αξιοπιστία ολόκληρης της συσκευής.

Με τη σμίκρυνση των ηλεκτρονικών προϊόντων πληροφοριών και την ώθηση για περιβαλλοντικούς κανόνες χωρίς μόλυβδο και αλογόνα, τα PCB έχουν κινηθεί προς υψηλότερη πυκνότητα, υψηλότερη Tg και πιο φιλικά προς το περιβάλλον υλικά. Όμως, λόγω του κόστους και των τεχνολογικών περιορισμών, πολλές αστοχίες συμβαίνουν κατά τη διάρκεια Κατασκευή PCB και χρήση. Αυτές οι αστοχίες προκαλούν πολλές διαφορές ποιότητας. Για να βρεθεί γιατί συμβαίνουν οι αστοχίες, να βρεθούν τρόποι για τη διόρθωσή τους και να διευθετηθούν οι ευθύνες, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί ανάλυση αστοχιών για τις αστοχίες που συμβαίνουν.

Βασικά βήματα στην ανάλυση αστοχίας

Για να βρεθεί η ακριβής αιτία ή ο μηχανισμός μιας βλάβης ή ενός ελαττώματος PCB, πρέπει να ακολουθηθούν βασικές αρχές και μια ροή ανάλυσης. Εάν δεν τις ακολουθήσετε, μπορεί να χάσετε πολύτιμες πληροφορίες για την αποτυχία. Η ανάλυση μπορεί να σταματήσει ή να δώσει λανθασμένο συμπέρασμα. Μια κοινή βασική ροή έχει ως εξής.

Πρώτον, με βάση το σύμπτωμα βλάβης, συλλέξτε πληροφορίες, κάντε λειτουργικές δοκιμές, ηλεκτρικές δοκιμές και απλούς οπτικούς ελέγχους. Χρησιμοποιήστε τα για να βρείτε την περιοχή που παρουσίασε βλάβη και τον τρόπο βλάβης. Αυτός είναι ο εντοπισμός της αποτυχίας ή ο εντοπισμός του σφάλματος.

Για απλές PCB ή απλές PCBA πίνακες, το αποτυχημένο μέρος είναι εύκολο να βρεθεί. Αλλά για πολύπλοκες συσκευές ή υποστρώματα, όπως BGA ή πακέτα MCM, τα ελαττώματα δεν είναι εύκολο να γίνουν αντιληπτά με μικροσκόπιο. Είναι δύσκολο να εντοπιστούν στην αρχή. Εκείνη τη στιγμή, απαιτούνται άλλες μέθοδοι.

Στη συνέχεια, αναλύστε τον μηχανισμό αστοχίας. Χρησιμοποιήστε φυσικές και χημικές μεθόδους για να μελετήσετε τον μηχανισμό που οδήγησε στην αστοχία ή το ελάττωμα της πλακέτας. Αυτοί οι μηχανισμοί μπορεί να περιλαμβάνουν ψυχρές ενώσεις συγκόλλησης, μόλυνση, μηχανική βλάβη, τάση που προκαλείται από την υγρασία, διηλεκτρική διάβρωση, βλάβη λόγω κόπωσης, μετανάστευση CAF ή ιόντων, υπερφόρτωση λόγω τάσης κ.ο.κ.

Στη συνέχεια, αναλύστε τη βασική αιτία της αποτυχίας. Με βάση τον μηχανισμό αστοχίας και τη διαδικασία κατασκευής, αναζητήστε τους λόγους που προκάλεσαν την εμφάνιση του μηχανισμού. Εάν χρειάζεται, κάντε πειράματα για να επαληθεύσετε την αιτία. Θα πρέπει να εκτελείτε δοκιμές επαλήθευσης όποτε είναι δυνατόν. Τα πειράματα μπορούν να βρουν την ακριβή αιτία που οδήγησε στην αποτυχία.

Αυτό δίνει μια σαφή, στοχευμένη βάση για το επόμενο βήμα βελτίωσης. Συντάξτε την έκθεση ανάλυσης βλάβης με βάση τα δεδομένα της δοκιμής, τα γεγονότα και τα συμπεράσματα της ανάλυσης. Τα γεγονότα πρέπει να είναι σαφή. Η λογική πρέπει να είναι αυστηρή. Η διάταξη πρέπει να είναι τακτική. Μην φαντάζεστε αιτίες χωρίς αποδείξεις.

Κατά τη διάρκεια της ανάλυσης, χρησιμοποιήστε μεθόδους από απλές έως σύνθετες, από εξωτερικές έως εσωτερικές και από μη καταστροφικές έως καταστροφικές. Ακολουθήστε αυτούς τους βασικούς κανόνες. Μόνο έτσι μπορείτε να αποφύγετε την απώλεια βασικών πληροφοριών και την προσθήκη νέων, ανθρωπογενών μηχανισμών αστοχίας.

Αυτό είναι σαν τροχαίο ατύχημα. Εάν ένας από τους εμπλεκόμενους καταστρέψει τον τόπο του ατυχήματος ή το σκάσει, ακόμη και ένας εξειδικευμένος αστυνομικός δεν μπορεί να κρίνει σωστά την ευθύνη. Ο νόμος για την κυκλοφορία απαιτεί συνήθως να φέρει όλη την ευθύνη το μέρος που το έσκασε ή που κατέστρεψε τον τόπο του ατυχήματος.

Το ίδιο ισχύει και για την ανάλυση αστοχίας PCB ή PCBA. Εάν κάποιος χρησιμοποιεί ένα κολλητήρι για να επιδιορθώσει μια αποτυχημένη ένωση συγκόλλησης ή χρησιμοποιεί ένα βαρύ ψαλίδι για να κόψει ένα PCB, η μετέπειτα ανάλυση είναι αδύνατη. Η σκηνή της αστοχίας καταστρέφεται. Αυτό είναι ιδιαίτερα κακό όταν υπάρχουν μόνο λίγα αποτυχημένα δείγματα. Εάν η σκηνή αποτυχίας καταστραφεί, η πραγματική αιτία δεν μπορεί να βρεθεί.

Τεχνικές ανάλυσης αστοχίας

Οπτικό μικροσκόπιο

Το οπτικό μικροσκόπιο προορίζεται κυρίως για την οπτική επιθεώρηση της πλακέτας PCB. Χρησιμοποιήστε το για να εντοπίσετε την αποτυχημένη περιοχή και τα σχετικά φυσικά στοιχεία. Παρέχει μια πρώτη εκτίμηση του τρόπου αστοχίας. Η οπτική επιθεώρηση αναζητά μόλυνση PCB, διάβρωση, ραγισμένες πλακέτες, ίχνη κυκλωμάτων και μοτίβα στις αστοχίες. Για παράδειγμα, ελέγξτε αν οι αποτυχίες έρχονται σε παρτίδες ή είναι μεμονωμένες περιπτώσεις. Ελέγξτε αν οι αποτυχίες συγκεντρώνονται πάντα σε μια περιοχή.

Ακτίνες Χ (επιθεώρηση με ακτίνες Χ)

Για εξαρτήματα που δεν είναι ορατά με οπτικό έλεγχο ή για εσωτερικά ελαττώματα σε διαμπερείς οπές και άλλα εσωτερικά ελαττώματα, χρησιμοποιήστε ένα σύστημα απεικόνισης με ακτίνες Χ. Το σύστημα ακτίνων-Χ λειτουργεί με τη διαφορετική απορρόφηση ή μετάδοση των ακτίνων-Χ από υλικά διαφορετικού πάχους ή πυκνότητας. Αυτό δημιουργεί εικόνες. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν συχνά τις ακτίνες Χ για να επιθεωρήσουν τα εσωτερικά ελαττώματα στις ενώσεις συγκόλλησης PCBA, τα εσωτερικά ελαττώματα στις διαμπερείς οπές και για να εντοπίσουν ελαττωματικές ενώσεις συγκόλλησης σε συσκευασίες υψηλής πυκνότητας, όπως BGA ή CSP.

Ανάλυση διατομής

Ανάλυση διατομής σημαίνει δειγματοληψία, ενσωμάτωση, τεμαχισμό, στίλβωση, χάραξη και παρατήρηση μιας διατομής PCB. Η διαδικασία αυτή δείχνει την εσωτερική δομή του PCB. Μέσω της ανάλυσης εγκάρσιας τομής, λαμβάνετε πλούσιες πληροφορίες μικροδομής σχετικά με τα χαρακτηριστικά του PCB (όπως διαμπερείς οπές και επιμεταλλώσεις). Αυτό βοηθά στην καθοδήγηση των βελτιώσεων της ποιότητας. Όμως αυτή η μέθοδος είναι καταστροφική. Μόλις τεμαχίσετε το δείγμα, αυτό καταστρέφεται.

Ακουστική μικροσκοπία σάρωσης (SAM)

Σήμερα, το κύριο εργαλείο για την ανάλυση της συσκευασίας και της συναρμολόγησης είναι το ακουστικό μικροσκόπιο σάρωσης C-mode. Χρησιμοποιεί υπερηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας. Τα κύματα αυτά ανακλώνται στις ασυνέχειες του υλικού. Η μεταβολή του πλάτους, της φάσης και της πολικότητας χρησιμοποιείται για τη δημιουργία εικόνων. Η σάρωση κινείται κατά μήκος του άξονα Ζ για την καταγραφή πληροφοριών στο επίπεδο Χ-Υ.

Ως εκ τούτου, η SAM μπορεί να ανιχνεύσει πολλά εσωτερικά ελαττώματα σε εξαρτήματα, υλικά και PCB ή PCBA. Βρίσκει ρωγμές, αποκολλήσεις, εγκλείσματα και κενά. Εάν το εύρος συχνοτήτων του SAM είναι αρκετά μεγάλο, μπορεί επίσης να ανιχνεύσει εσωτερικά ελαττώματα σε ενώσεις συγκόλλησης.

Οι τυπικές εικόνες SAM χρησιμοποιούν ένα προειδοποιητικό χρώμα, όπως το κόκκινο, για να δείξουν τα ελαττώματα. Κατά τη διάρκεια της μετάβασης από τις διεργασίες SMT με μόλυβδο στις διεργασίες SMT χωρίς μόλυβδο, εμφανίστηκαν πολλά προβλήματα επαναπλήρωσης που σχετίζονται με την υγρασία. Τα πλαστικά πακέτα που απορροφούν υγρασία μπορούν να αποκολληθούν ή να ραγίσουν στο εσωτερικό τους όταν επαναρροφηθούν στις υψηλότερες θερμοκρασίες των διεργασιών χωρίς μόλυβδο. Τα συνηθισμένα PCB μπορούν επίσης να ραγίσουν ή να αποκολληθούν σε αυτές τις υψηλότερες θερμοκρασίες.

Στην περίπτωση αυτή, η SAM παρουσιάζει ιδιαίτερα πλεονεκτήματα για μη καταστροφικές δοκιμές πολυστρωματικών PCB υψηλής πυκνότητας. Μεγάλες ορατές ρωγμές πλακετών ή ανατιναγμένες πλακέτες, ωστόσο, μπορούν συνήθως να εντοπιστούν με απλή οπτική επιθεώρηση.

Micro-FTIR (ανάλυση υπερύθρου σε μικροκλίμακα)

Η μικρο-υπέρυθρη ανάλυση συνδυάζει τη φασματοσκοπία υπερύθρου με τη μικροσκοπία. Χρησιμοποιεί το γεγονός ότι τα διάφορα υλικά -κυρίως τα οργανικά- απορροφούν διαφορετικά το υπέρυθρο φως. Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε να αναλύσετε τα χημικά συστατικά ενός υλικού. Με ένα μικροσκόπιο, το ορατό φως και το υπέρυθρο μπορούν να μοιραστούν την ίδια διαδρομή φωτός. Κάτω από το ορατό πεδίο, μπορείτε να βρείτε μικρές ποσότητες οργανικής μόλυνσης προς ανάλυση.

Χωρίς μικροσκόπιο, η φασματοσκοπία υπερύθρου απαιτεί συνήθως μεγαλύτερη ποσότητα δείγματος. Στις ηλεκτρονικές διεργασίες, μικροσκοπική μόλυνση μπορεί να προκαλέσει κακή συγκολλησιμότητα ενός pad ή μολύβδου. Έτσι, χωρίς υπέρυθρη ακτινοβολία συνδεδεμένη με μικροσκόπιο, είναι δύσκολο να επιλυθούν ορισμένα προβλήματα διεργασιών. Το μικρο-FTIR χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάλυση της οργανικής μόλυνσης σε επιφάνειες συγκόλλησης ή αρμούς συγκόλλησης και για την ανάλυση των αιτιών διάβρωσης ή κακής συγκολλησιμότητας.

Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM)

Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης είναι ένα χρήσιμο μεγάλο σύστημα απεικόνισης για την ανάλυση αστοχιών. Χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της μορφολογίας. Τα σύγχρονα SEM είναι ισχυρά. Μπορούν να μεγεθύνουν λεπτές δομές ή επιφανειακά χαρακτηριστικά σε εκατοντάδες χιλιάδες φορές.

Στην ανάλυση αστοχίας PCB ή συγκολλητικών ενώσεων, το SEM χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάλυση των μηχανισμών αστοχίας. Συγκεκριμένα, το SEM χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της μορφολογίας της επιφάνειας των μαξιλαριών, της μεταλλογραφικής δομής των αρμών συγκόλλησης, για τη μέτρηση των ενδομεταλλικών ενώσεων, για την ανάλυση των συγκολλήσιμων επικαλύψεων και για την ανάλυση και μέτρηση των whiskers κασσιτέρου.

Σε σύγκριση με ένα οπτικό μικροσκόπιο, ένα SEM σχηματίζει μια εικόνα ηλεκτρονίων, οπότε είναι ασπρόμαυρη. Τα δείγματα SEM πρέπει να είναι αγώγιμα. Για μη αγωγούς και ορισμένους ημιαγωγούς, πρέπει να επικαλύψετε το δείγμα με χρυσό ή άνθρακα. Διαφορετικά, φορτίο θα συσσωρευτεί στην επιφάνεια του δείγματος και θα επηρεάσει την παρατήρηση. Οι εικόνες SEM έχουν πολύ μεγαλύτερο βάθος πεδίου από τα οπτικά μικροσκόπια. Για τις μεταλλογραφικές δομές, τις επιφάνειες μικροθραύσεων και τα whiskers κασσιτέρου, το SEM είναι μια σημαντική μέθοδος ανάλυσης.

Θερμική ανάλυση

Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC)

Η DSC μετρά τη διαφορά ισχύος μεταξύ ενός δείγματος δοκιμής και ενός δείγματος αναφοράς υπό ελεγχόμενη από το πρόγραμμα θερμοκρασία. Καταγράφει τη σχέση μεταξύ της διαφοράς ισχύος και της θερμοκρασίας ή του χρόνου. Η DSC μελετά τον τρόπο με τον οποίο η θερμότητα μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία. Από αυτό μπορείτε να μελετήσετε τη φυσική, χημική και θερμοδυναμική συμπεριφορά των υλικών.

Η DSC έχει πολλές χρήσεις. Στην ανάλυση PCB, η DSC χρησιμοποιείται κυρίως για τη μέτρηση του βαθμού σκλήρυνσης και της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg) των πολυμερών που χρησιμοποιούνται στα PCB. Αυτές οι δύο παράμετροι καθορίζουν την αξιοπιστία του PCB κατά τα μεταγενέστερα στάδια της διαδικασίας.

Θερμομηχανική ανάλυση (TMA)

Το TMA μετρά τη συμπεριφορά παραμόρφωσης στερεών, υγρών και πηκτωμάτων υπό ελεγχόμενη από το πρόγραμμα θερμοκρασία ή μηχανική δύναμη. Μελετά τη σχέση μεταξύ θερμικής και μηχανικής συμπεριφοράς. Από την παραμόρφωση συναρτήσει της θερμοκρασίας (ή του χρόνου), μπορείτε να μελετήσετε τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των υλικών και τη θερμοδυναμική.

Στην ανάλυση PCB, η TMA μετρά κυρίως δύο βασικές παραμέτρους: τον συντελεστή γραμμικής διαστολής και τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης. Εάν το βασικό υλικό έχει μεγάλο συντελεστή διαστολής, η πλακέτα μπορεί συχνά να υποστεί θραύση των μεταλλικών διαύλων μετά από συγκόλληση και συναρμολόγηση.

Θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA)

Η TGA μετρά τη μεταβολή της μάζας μιας ουσίας υπό ελεγχόμενη από το πρόγραμμα θερμοκρασία ή χρόνο. Με μια ακριβή ζυγαριά, η TGA μπορεί να παρακολουθήσει μικρές μεταβολές μάζας κατά τη διάρκεια μιας ελεγχόμενης λειτουργίας θερμοκρασίας.

Από την καμπύλη μεταβολής μάζας ως προς τη θερμοκρασία (ή το χρόνο) μπορείτε να μελετήσετε τη φυσική και χημική συμπεριφορά των υλικών και τη θερμοδυναμική. Στην ανάλυση PCB, η TGA χρησιμοποιείται κυρίως για τη μέτρηση της θερμικής σταθερότητας ή της θερμοκρασίας αποσύνθεσης των υλικών PCB. Εάν ένα υπόστρωμα έχει πολύ χαμηλή θερμοκρασία αποσύνθεσης, το PCB θα αποκολληθεί ή θα ραγίσει κατά τη συγκόλληση σε υψηλή θερμοκρασία.

Τελικές σημειώσεις και υπενθυμίσεις βέλτιστων πρακτικών

Όταν σχεδιάζετε την ανάλυση αποτυχίας, ακολουθήστε μια σαφή, βήμα προς βήμα προσέγγιση. Ξεκινήστε με οπτικούς και μη καταστροφικούς ελέγχους. Χρησιμοποιήστε ηλεκτρικές δοκιμές και συλλογή πληροφοριών. Στη συνέχεια, προχωρήστε σε μεθόδους απεικόνισης, όπως οι ακτίνες Χ και η SAM. Εάν χρειάζεται, χρησιμοποιήστε μικροχημικά εργαλεία όπως το micro-FTIR και την απεικόνιση επιφανειών όπως το SEM. Διατηρήστε τις καταστροφικές δοκιμές, όπως η διατομή, για όταν χρειάζεστε πληροφορίες για τη μικροδομή και όταν η ποσότητα του δείγματος επιτρέπει την καταστροφή.

Να καταγράφετε πάντα τα δεδομένα και να διατηρείτε σαφή γεγονότα. Χρησιμοποιήστε τα απλούστερα λογικά βήματα. Να αποδεικνύετε τα συμπεράσματα με πειράματα όταν είναι δυνατόν. Μην αλλάζετε ή καταστρέφετε τη σκηνή της αποτυχίας πριν την καταγράψετε, διότι μόλις η σκηνή αλλάξει, η πραγματική αιτία μπορεί να χαθεί. Ακολουθήστε τον κανόνα: από το απλό στο σύνθετο, από το εξωτερικό στο εσωτερικό, από το μη καταστροφικό στο καταστροφικό. Αυτό εξοικονομεί χρόνο και αποδίδει σωστά αποτελέσματα ανάλυσης.