PCB可靠性問題及案例分析：綜述2

在失效分析過程中，往往需要借助多種失效分析手段綜合分析，方能得到可靠的分析結論。而在分析前，需理解各分析手段的原理，充分了解其能力，并依據相關測試方法和標準進行測試分析，常用的測試分析標準包括IPC－TM－650、GJB360B、QJ832B和JESD22等。以下介紹常見的失效分析手段：

SEM＆EDS

SEM即掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope），EDS即X射線能譜分析儀（Energy Dispersive Spectrometer），兩者是業內最常見的聯用設備，能夠觀察樣品表面的微觀形貌，并進行微區成分分析。掃描電子顯微鏡由其電子槍的不同，分為鎢燈絲、熱場和冷場電鏡，不同的電鏡之間，其放大倍率和分辨率均有區別，場發射電鏡往往放大數十萬倍也毫不費力，分辨率接近1nm。

SEM主要是通過聚焦高能電子束轟擊掃描樣品表面，被激發的區域將產生各種信號，如二次電子、背散射電子和特征X射線等，不同的信號被不同的探頭接收從而得到試樣的各類信息，其中二次電子主要反映形貌特征，背散射電子主要反映元素特征，而特征X射線信號則被能譜儀接收，通過計算機內部的計算，實現微區成份分析。為了得到穩定的圖像，要求樣品表面要導電，不導電樣品則采用噴鍍碳膜、鉑膜等方式使其導電。

在PCB／PCBA失效分析應用方面，SEM主要應用于PCB／PCBA表面形貌的觀察，通過形貌特征判斷問題點和失效機理，比如焊點合金層（IMC）形貌、沉金鎳腐蝕、干膜浮起、銅面微蝕形貌等。

在分析SEM＆EDS的測試結果時，需注意以下幾個問題：

⑴與光學顯微鏡不同，SEM輸出的是電子像，只有黑白兩色，那么在有些情況下光學顯微鏡可以輕易觀察到的問題，在SEM圖像上卻“隱藏”了起來，比如說金面氧化、鍍層凹坑和錫面發黃等；這些樣品在進樣前需對缺陷位置作特殊標識，必要時用光學顯微鏡拍的圖像作位置比對；

⑵EDS反映的是一定深度內的元素分析結果，因此當需要分辨元素是在樣品表面還是樣品內部時，需要借助于其他的測試手段；

⑶EDS作為表面元素分析手段，其分析能力是有極限的，一般來說含量在0．1％以下的元素很難被EDS探測到；另外由于EDS屬于半定量測試手段，其測試結果受加速電壓和過壓比（加速電壓／元素出峰點）影響較大，因此需要準確定量的場合，不能采用EDS結果作判定。

超聲波掃描

超聲波具有較強的穿透性和方向性，能夠檢測PCB／PCBA的內部情況，被廣泛的應用于無損檢測。對樣品進行超聲波掃描，分析反射及透射的信號，可以確定板內部的分層、裂紋、空洞、起泡等缺陷。

人耳能聽到的聲音頻率為16Hz～20KHz，而超聲波是指頻率超過20KHz的聲波，是人耳無法聽到的。任何頻率的超聲波都不能穿透真空，而當超聲波頻率大于10MHz時，則無法穿透空氣。正是利用此特性，超聲波掃描才能實現缺陷識別，比如說在使用透射模式（T－SCAN）時，材料內部分層、裂紋、空洞和氣泡缺陷位置由于充斥著空氣，超聲波無法透過。那么在最終的掃描圖像中，無法接收到超聲波信號的位置就是缺陷位置。如下圖為典型的超聲波掃描效果圖：

需要注意的是超聲波掃描的分辨率是有限的，理論上來說提升超聲波頻率可以實現高分辨率的探測，甚至可以探測到焊點內部的空洞；但是隨著超聲波頻率的提升，其穿透能力也會明顯下降，其測量深度就會受限。因此，需選擇適當的超聲波頻率來實現不同的探測目的。

潤濕平衡稱量法

照《IPC J－STD－003B 印制板可焊性測試》標準，PCB可焊性的評價方法主要有6種：邊緣浸焊法、擺動浸焊法、浮焊法、波峰焊法、表面貼裝工藝模擬法和潤濕稱量法。前五種方法都是通過檢查上錫效果定性評價試樣的可焊性，但缺點是用肉眼觀察到的外觀和可焊性面積來判定，不可避免人的主觀因素。而潤濕稱量法是針對可焊性進行的一種定量表征方法，能反映出不同試樣間微小的可焊性差異和整個潤濕過程中潤濕力隨時間變化的關系，更加明確和直觀。

潤濕稱量法是將試件從一垂直安裝的高靈敏度的傳感器上懸吊下來，以規定的速度浸漬到規定溫度的熔融焊料槽中，且試件的底部浸漬至規定深度時，測定作用于試件上的浮力和表面張力在垂直方向上的合力，以該合力與時間的關系來評定試件的可焊性。