PCB đóng vai trò là vật liệu nền cho nhiều linh kiện và là trung tâm truyền dẫn tín hiệu mạch. Nó đã trở thành một phần rất quan trọng và then chốt của các sản phẩm điện tử thông tin. Chất lượng và độ tin cậy của PCB quyết định chất lượng và độ tin cậy của toàn bộ thiết bị.

Với sự thu nhỏ kích thước của các sản phẩm điện tử và xu hướng áp dụng các quy định môi trường không chứa chì và halogen, bảng mạch in (PCB) đã chuyển hướng sang sử dụng vật liệu có mật độ cao hơn, nhiệt độ chuyển pha (Tg) cao hơn và thân thiện với môi trường hơn. Tuy nhiên, do hạn chế về chi phí và công nghệ, nhiều sự cố vẫn xảy ra trong quá trình sản xuất. Sản xuất bảng mạch in (PCB) và sử dụng. Những sự cố này gây ra nhiều tranh chấp về chất lượng. Để xác định nguyên nhân gây ra sự cố, tìm cách khắc phục và xác định trách nhiệm, việc phân tích sự cố đối với các sự cố xảy ra là cần thiết.

Các bước cơ bản trong phân tích nguyên nhân hỏng hóc

Để xác định nguyên nhân chính xác hoặc cơ chế gây ra sự cố hoặc lỗi của PCB, cần tuân thủ các nguyên tắc cơ bản và quy trình phân tích. Nếu không tuân thủ, bạn có thể mất đi thông tin quan trọng về sự cố. Quá trình phân tích có thể bị gián đoạn hoặc đưa ra kết luận sai lệch. Một quy trình cơ bản phổ biến như sau.

Đầu tiên, dựa trên triệu chứng hỏng hóc, thu thập thông tin, thực hiện các bài kiểm tra chức năng, kiểm tra điện và kiểm tra trực quan đơn giản. Sử dụng các kết quả này để xác định khu vực hỏng hóc và chế độ hỏng hóc. Đây là quá trình xác định vị trí hỏng hóc hoặc xác định lỗi.

Đối với mạch in đơn giản hoặc đơn giản Bo mạch in (PCBA) Với các bảng mạch, phần hỏng hóc dễ dàng được xác định. Tuy nhiên, đối với các thiết bị phức tạp hoặc vật liệu nền, chẳng hạn như BGA Hoặc đối với các gói MCM, các khuyết tật không dễ dàng quan sát được dưới kính hiển vi. Chúng khó phát hiện ban đầu. Lúc đó, cần phải sử dụng các phương pháp khác.

Tiếp theo, phân tích cơ chế hư hỏng. Sử dụng các phương pháp vật lý và hóa học để nghiên cứu cơ chế dẫn đến hư hỏng hoặc khuyết tật của PCB. Các cơ chế này có thể bao gồm các mối hàn lạnh, ô nhiễm, hư hỏng cơ học, ứng suất do ẩm ướt, ăn mòn điện môi, hư hỏng do mỏi, CAF hoặc di chuyển ion, quá tải ứng suất, và các yếu tố khác.

Sau đó, phân tích nguyên nhân gốc rễ của sự cố. Dựa trên cơ chế gây ra sự cố và quy trình sản xuất, tìm hiểu các nguyên nhân dẫn đến cơ chế đó. Nếu cần thiết, thực hiện các thí nghiệm để xác minh nguyên nhân. Nên thực hiện kiểm tra xác minh bất cứ khi nào có thể. Các thí nghiệm có thể xác định chính xác nguyên nhân dẫn đến sự cố.

Điều này cung cấp một cơ sở rõ ràng, cụ thể cho bước cải tiến tiếp theo. Lập báo cáo phân tích sự cố dựa trên dữ liệu thử nghiệm, sự thật và kết luận từ phân tích. Các sự thật phải rõ ràng. Logic phải chặt chẽ. Cấu trúc phải gọn gàng. Không được suy đoán nguyên nhân mà không có bằng chứng.

Trong quá trình phân tích, hãy áp dụng các phương pháp từ đơn giản đến phức tạp, từ bên ngoài vào bên trong, và từ không phá hủy đến phá hủy. Tuân thủ các quy tắc cơ bản này. Chỉ bằng cách làm như vậy, bạn mới có thể tránh mất thông tin quan trọng và tránh tạo ra các cơ chế hỏng hóc mới do con người gây ra.

Điều này giống như một vụ tai nạn giao thông. Nếu một bên phá hủy hiện trường hoặc bỏ trốn, ngay cả một cảnh sát viên giỏi cũng không thể đưa ra phán quyết chính xác về trách nhiệm. Luật giao thông thường quy định rằng bên đã bỏ trốn hoặc phá hủy hiện trường phải chịu toàn bộ trách nhiệm.

Điều tương tự cũng áp dụng cho phân tích hỏng hóc của PCB hoặc PCBA. Nếu ai đó sử dụng máy hàn để sửa chữa một mối hàn bị hỏng hoặc sử dụng kéo nặng để cắt PCB, việc phân tích sau này sẽ không thể thực hiện được. Hiện trường hỏng hóc bị phá hủy. Điều này đặc biệt nghiêm trọng khi chỉ có một số mẫu hỏng. Nếu hiện trường hỏng hóc bị hư hỏng, nguyên nhân thực sự không thể được xác định.

Các kỹ thuật phân tích nguyên nhân hỏng hóc

Kính hiển vi quang học

Kính hiển vi quang học chủ yếu được sử dụng để kiểm tra trực quan bảng mạch in (PCB). Sử dụng nó để xác định khu vực hư hỏng và các bằng chứng vật lý liên quan. Nó cung cấp đánh giá ban đầu về cơ chế hư hỏng. Kiểm tra trực quan tìm kiếm các dấu hiệu ô nhiễm PCB, ăn mòn, bảng mạch nứt, đường mạch và mô hình hư hỏng. Ví dụ, kiểm tra xem hư hỏng có xuất hiện theo lô hay là các trường hợp riêng lẻ. Kiểm tra xem hư hỏng có luôn tập trung ở một khu vực cụ thể hay không.

Chụp X-quang (Kiểm tra bằng tia X)

Đối với các bộ phận không thể quan sát bằng mắt thường hoặc các khuyết tật bên trong lỗ thông qua và các khuyết tật bên trong khác, hãy sử dụng hệ thống hình ảnh X-quang. Hệ thống X-quang hoạt động dựa trên sự hấp thụ hoặc truyền qua khác nhau của tia X bởi các vật liệu có độ dày hoặc mật độ khác nhau. Điều này tạo ra hình ảnh. Người ta thường sử dụng tia X để kiểm tra các khuyết tật bên trong các mối hàn trên bảng mạch in (PCBA), các khuyết tật bên trong lỗ thông qua, và để xác định các mối hàn bị lỗi trong các gói có mật độ cao như BGA hoặc CSP.

Phân tích mặt cắt ngang

Phân tích mặt cắt ngang bao gồm các bước lấy mẫu, nhúng, cắt lát, mài bóng, ăn mòn và quan sát mặt cắt ngang của bảng mạch in (PCB). Quy trình này cho thấy cấu trúc bên trong của PCB. Thông qua phân tích mặt cắt ngang, bạn có thể thu được thông tin chi tiết về cấu trúc vi mô của các đặc điểm trên PCB (như lỗ thông qua và lớp mạ). Điều này giúp hướng dẫn các cải tiến về chất lượng. Tuy nhiên, phương pháp này là phá hủy. Một khi đã cắt lát mẫu, nó sẽ bị hủy hoại.

Kỹ thuật quét vi âm (SAM)

Hiện nay, công cụ chính để phân tích đóng gói và lắp ráp là kính hiển vi âm thanh quét chế độ C. Thiết bị này sử dụng sóng siêu âm tần số cao. Các sóng này phản xạ tại các điểm gián đoạn của vật liệu. Sự thay đổi về biên độ, pha và cực tính được sử dụng để tạo ra hình ảnh. Quá trình quét di chuyển dọc theo trục Z để ghi lại thông tin trên mặt phẳng X-Y.

Do đó, SAM có thể phát hiện nhiều khuyết tật bên trong trong các linh kiện, vật liệu và bảng mạch in (PCB) hoặc bảng mạch in lắp ráp (PCBA). Nó phát hiện các vết nứt, hiện tượng bong tróc, tạp chất và các khoảng trống. Nếu dải tần số của SAM đủ rộng, nó cũng có thể phát hiện các khuyết tật bên trong trong các mối hàn.

Hình ảnh SAM thông thường sử dụng màu cảnh báo, chẳng hạn như màu đỏ, để hiển thị các khuyết tật. Trong quá trình chuyển đổi từ quy trình SMT chứa chì sang quy trình SMT không chì, nhiều vấn đề liên quan đến độ ẩm trong quá trình hàn chảy đã xuất hiện. Các gói nhựa hấp thụ độ ẩm có thể bị bong tróc hoặc nứt bên trong khi được hàn chảy ở nhiệt độ cao hơn của quy trình không chì. Các bảng mạch in thông thường (PCB) cũng có thể bị nứt hoặc bong tróc ở nhiệt độ cao hơn này.

Trong trường hợp này, SAM thể hiện những ưu điểm đặc biệt trong việc kiểm tra không phá hủy các bảng mạch in đa lớp, mật độ cao. Tuy nhiên, các vết nứt lớn trên bảng mạch hoặc bảng mạch bị hỏng thường có thể được phát hiện bằng cách kiểm tra trực quan đơn giản.

Phân tích hồng ngoại vi mô (Micro-FTIR)

Phân tích hồng ngoại vi mô kết hợp giữa phổ hồng ngoại và kính hiển vi. Phương pháp này tận dụng đặc tính hấp thụ ánh sáng hồng ngoại khác nhau của các vật liệu khác nhau, chủ yếu là vật liệu hữu cơ. Nhờ đó, có thể phân tích thành phần hóa học của vật liệu. Với kính hiển vi, ánh sáng khả kiến và ánh sáng hồng ngoại có thể chia sẻ cùng một đường truyền ánh sáng. Trong vùng ánh sáng khả kiến, có thể phát hiện và phân tích các tạp chất hữu cơ với lượng nhỏ.

Không có kính hiển vi, phổ hồng ngoại thường yêu cầu lượng mẫu lớn hơn. Trong các quá trình điện tử, sự ô nhiễm nhỏ có thể gây ra khả năng hàn kém của pad hoặc lead. Vì vậy, nếu không có phổ hồng ngoại kết hợp với kính hiển vi, việc giải quyết một số vấn đề quá trình trở nên khó khăn. Phổ hồng ngoại vi mô (Micro-FTIR) chủ yếu được sử dụng để phân tích ô nhiễm hữu cơ trên bề mặt hàn hoặc mối hàn, cũng như phân tích nguyên nhân gây ăn mòn hoặc khả năng hàn kém.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một hệ thống hình ảnh lớn hữu ích cho phân tích hư hỏng. Nó được sử dụng để quan sát cấu trúc hình thái. Các SEM hiện đại có khả năng mạnh mẽ. Chúng có thể phóng đại các cấu trúc nhỏ hoặc đặc điểm bề mặt lên hàng trăm nghìn lần.

Trong phân tích hư hỏng của mạch in (PCB) hoặc mối hàn, kính hiển vi điện tử quét (SEM) chủ yếu được sử dụng để phân tích cơ chế hư hỏng. Cụ thể, SEM được sử dụng để quan sát hình thái bề mặt của các pad, cấu trúc kim loại của mối hàn, đo lường các hợp chất kim loại, phân tích các lớp phủ hàn, và phân tích và đo lường các sợi thiếc.

So với kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) tạo ra hình ảnh điện tử, do đó hình ảnh có màu đen trắng. Mẫu SEM phải có tính dẫn điện. Đối với các vật liệu không dẫn điện và một số vật liệu bán dẫn, bạn phải phủ mẫu bằng vàng hoặc carbon. Nếu không, điện tích sẽ tích tụ trên bề mặt mẫu và ảnh hưởng đến quan sát. Hình ảnh SEM có độ sâu trường ảnh lớn hơn nhiều so với kính hiển vi quang học. Đối với cấu trúc kim loại, bề mặt vết nứt vi mô và sợi thiếc, SEM là phương pháp phân tích quan trọng.

Phân tích nhiệt

Phép đo nhiệt lượng vi sai (DSC)

DSC đo sự chênh lệch công suất giữa mẫu thử và mẫu tham chiếu trong điều kiện nhiệt độ được kiểm soát bởi chương trình. Nó ghi lại mối quan hệ giữa sự chênh lệch công suất và nhiệt độ hoặc thời gian. DSC nghiên cứu cách nhiệt thay đổi theo nhiệt độ. Từ đó, bạn có thể nghiên cứu hành vi vật lý, hóa học và nhiệt động lực học của vật liệu.

DSC có nhiều ứng dụng. Trong phân tích PCB, DSC chủ yếu được sử dụng để đo độ đóng rắn và nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) của các polymer được sử dụng trong PCB. Hai thông số này quyết định độ tin cậy của PCB trong các bước gia công sau này.

Phân tích nhiệt cơ học (TMA)

TMA đo lường hành vi biến dạng của các chất rắn, lỏng và gel dưới tác động của nhiệt độ hoặc lực cơ học được điều khiển bởi chương trình. Nó nghiên cứu mối liên hệ giữa hành vi nhiệt và cơ học. Từ đồ thị biến dạng theo nhiệt độ (hoặc thời gian), bạn có thể nghiên cứu các tính chất vật lý, hóa học và nhiệt động lực học của vật liệu.

Trong phân tích PCB, TMA chủ yếu đo hai thông số chính: hệ số giãn nở tuyến tính và nhiệt độ chuyển pha thủy tinh. Nếu vật liệu nền có hệ số giãn nở lớn, PCB thường có thể bị nứt tại các lỗ hàn kim loại sau khi hàn và lắp ráp.

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

TGA đo lường sự thay đổi khối lượng của một chất dưới điều kiện nhiệt độ hoặc thời gian được kiểm soát bởi chương trình. Với một cân điện tử chính xác, TGA có thể theo dõi những thay đổi khối lượng nhỏ trong quá trình chạy nhiệt độ được kiểm soát.

Từ đồ thị thay đổi khối lượng theo nhiệt độ (hoặc thời gian), bạn có thể nghiên cứu hành vi vật lý và hóa học của vật liệu cũng như nhiệt động lực học. Trong phân tích PCB, TGA chủ yếu được sử dụng để đo độ ổn định nhiệt hoặc nhiệt độ phân hủy của vật liệu PCB. Nếu vật liệu nền có nhiệt độ phân hủy quá thấp, PCB sẽ bị bong tróc hoặc nứt vỡ trong quá trình hàn nhiệt độ cao.

Những lưu ý cuối cùng và các lời nhắc nhở về các thực hành tốt nhất

Khi lập kế hoạch phân tích hỏng hóc, hãy tuân theo một quy trình rõ ràng, từng bước. Bắt đầu với các kiểm tra trực quan và không phá hủy. Sử dụng các thử nghiệm điện và thu thập thông tin. Sau đó chuyển sang các phương pháp hình ảnh như tia X và SAM. Nếu cần thiết, sử dụng các công cụ hóa học vi mô như micro-FTIR và hình ảnh bề mặt như SEM. Giữ lại các thử nghiệm phá hủy như cắt ngang cho trường hợp cần thông tin về cấu trúc vi mô và khi lượng mẫu cho phép phá hủy.

Luôn ghi chép dữ liệu và giữ các sự kiện rõ ràng. Sử dụng các bước logic đơn giản nhất. Chứng minh kết luận bằng thí nghiệm khi có thể. Không thay đổi hoặc làm hỏng hiện trường sự cố trước khi ghi chép, vì một khi hiện trường bị thay đổi, nguyên nhân thực sự có thể bị mất. Tuân thủ quy tắc: từ đơn giản đến phức tạp, từ bên ngoài vào bên trong, từ không phá hủy đến phá hủy. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và mang lại kết quả phân tích chính xác.