PCB失效分析：步驟與技術

作為各種元器件的載體與電路信號傳輸的樞紐PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）已經成為電子信息產品的最為重要而關鍵的部分，其質量的好壞與可靠性水平決定了整機設備的質量與可靠性，由于PCB高密度的發展趨勢以及無鉛與無鹵的環保要求，越來越多的PCB出現了潤濕不良、爆板、分層、CAF（Conductive Anodic Filamentation，導電性陽極絲，指的是PCB內部銅離子從陽極（高電壓）沿著玻纖絲間的微裂通道，向陰極（低電壓）遷移過程中發生的銅與銅鹽的漏電行為） 等等各種失效問題。

失效分析的基本程序

1.失效定位

失效分析的首要任務是基于失效現象，通過一系列基礎檢測手段確定失效部位與失效模式。這包括對PCB進行全面的信息收集，如生產批次、使用環境、歷史故障記錄等；進行功能測試，以驗證電路的基本功能是否正常；開展電性能測試，檢測電路的電氣參數是否符合設計要求；同時，進行簡單的外觀檢查，觀察PCB表面是否存在明顯的損傷、污染、腐蝕等異常情況。

對于結構簡單的PCB或PCBA（裝有電子元器件的印刷電路板），失效部位相對容易鎖定。但對于采用復雜封裝形式如BGA（球柵陣列封裝）或MCM（多芯片模塊封裝）的器件或基板，由于其內部結構精密，缺陷難以直接通過顯微鏡觀察，這就需要借助更先進的檢測設備和技術手段來輔助確定失效部位。

2.失效機理分析

在明確失效部位后，需深入探究導致PCB失效或缺陷產生的機理。金鑒實驗室利用多種物理、化學分析方法，對失效區域進行細致剖析，確保能夠全面了解失效機理。常見的失效機理包括虛焊、污染、機械損傷、潮濕應力、介質腐蝕、疲勞損傷、CAF（導電陽極絲）或離子遷移、應力過載。通過深入分析失效機理，能夠為后續的失效原因追溯提供關鍵線索。

3.失效原因分析

基于失效機理與制程過程的關聯分析，是尋找失效根源的關鍵步驟。這要求分析人員充分了解PCB的生產工藝流程，包括原材料采購與檢驗、基板制造、鉆孔與鍍孔、圖形轉移、蝕刻、表面處理、組裝焊接等各個環節。結合失效機理，逐一排查各制程環節中可能導致失效發生的因素。在必要時，還需開展針對性的試驗驗證，模擬實際生產或使用條件，重現失效現象，以精準鎖定誘導失效的具體原因。

4.編制失效分析報告

失效分析的最終成果是編制一份詳實、準確的失效分析報告。報告應清晰呈現分析過程中的各項試驗數據、觀察到的事實以及得出的結論。報告內容需邏輯嚴密、條理清晰，避免主觀臆斷和憑空想象。

失效分析技術手段

1.光學顯微鏡

光學顯微鏡是失效分析中最為基礎且常用的檢測工具之一，主要用于對PCB進行外觀檢查。通過光學顯微鏡，可以清晰地觀察到PCB表面的污染狀況，如是否有殘留的助焊劑、灰塵、油污等；檢查腐蝕情況，判斷是否存在化學腐蝕導致的銅線斷裂、焊盤損壞等問題；確定爆板的位置，觀察爆板區域的裂紋形態和擴展方向；分析電路布線的合理性，查看是否存在線寬不足、線間距過小等設計缺陷；同時，還能探究失效的規律性，如是批次性問題還是個別現象，是否總是集中在某個特定區域等。這些外觀檢查信息為初步判斷PCB的失效模式提供了直觀依據，為進一步的深入分析指明方向。

2.X射線（X - ray）

對于一些無法通過外觀檢查直接觀察到的PCB內部結構或缺陷，如通孔內部的焊錫填充情況、高密度封裝的BGA或CSP器件的焊點連接狀態等，X射線透視系統成為不可或缺的檢測手段。

X光透視系統利用不同材料厚度或密度對X光的吸收或透過率差異來成像。在PCBA焊點內部缺陷檢測方面，能夠清晰地顯示出焊點內部是否存在空洞、錫球、錫渣等缺陷。通過X射線檢測，可以有效彌補光學顯微鏡在內部結構檢測方面的不足，拓展失效分析的深度和廣度。

3.切片分析

切片分析是一種破壞性的檢測方法，通過對PCB樣品進行取樣、鑲嵌、切片、拋磨、腐蝕等一系列精細操作，獲得PCB的橫截面結構。借助顯微鏡觀察切片后的橫截面，可以獲得豐富的微觀結構信息，如通孔的孔壁粗糙度、鍍層厚度均勻性、基板內部的玻璃纖維分布、樹脂填充情況等。這些微觀結構信息對于評估PCB的質量具有重要意義，能夠為質量改進提供有力的數據支持。

4.掃描聲學顯微鏡

掃描聲學顯微鏡（C模式超聲掃描聲學顯微鏡）是基于高頻超聲波在材料不連續界面上反射產生的振幅、位相與極性變化來成像的檢測設備。它能夠沿著Z軸掃描X - Y平面的信息，從而實現對元器件、材料以及PCB與PCBA內部各種缺陷的無損檢測。該技術在檢測裂紋、分層、夾雜物、空洞等缺陷方面具有獨特優勢。

5.顯微紅外分析

顯微紅外分析是將紅外光譜技術與顯微鏡相結合的一種分析方法。它利用不同材料（尤其是有機物）對紅外光譜的不同吸收特性，來分析材料的化合物成分。借助顯微鏡的輔助，可實現可見光與紅外光的同光路觀察，使得在可見視場下能夠精準地尋找并分析微量的有機污染物。在電子工藝中，微量的有機污染往往會對PCB焊盤或引線腳的可焊性產生嚴重影響，而顯微紅外分析能夠有效解決這一難題。