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PCB检测案例

PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的Z为重要而关键的部分，广泛的应用于各行各业。近年来，由于PCB失效案例越来越多且部分失效危害极大。2016年4月通过的《装备制造业与标准化和质量提升规划》与《ZG制造2025》坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针形成对接，说明国家对产品的质量要求越来越高，对产品可靠性把控越来越严，因此，其PCB质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。

以前只有产品会提出可靠性要求，现在很多民品企业产品也会提出各种各样的可靠性要求。不同类型的客户，不同的产品应用领域对于PCB的可靠性要求也完全不一样。比如，有的客户对于PCB的可靠性要求是260摄氏度十个小时烘烤后，仍然能够满足PCB电性能要求；有的客户要求IST循环250次甚至1000次之后，产品电阻变化率小于10%；有的客户要求PCBA产品在25g加速度情况下满足30分钟的共振要求等等。

二．PCB失效案例

众所周知，产品的失效会造成较严重的经济损失和品质影响，然而PCB失效的模式多种多样，失效根因也各不相同，例如PTH孔铜的腐蚀失效、HDI盲孔底部裂纹导致的开路失效、分层爆板失效、ENIG产品孔环裂纹和PCB板短路起火等。加工流程繁冗复杂，可能造成其失效的原因较多。因此，如何快速地定位出PCB的失效根因，并对产品的各项性能进行优化提升，已成为PCB行业的重要课题之一。以下列举近年分析测试实验ZX在大数据计算、航海及YL领域相关的失效分析案例：

① PCB烧板失效

2015年某大型数据ZX反馈，每月会有1台或2台设备发生起火烧板的现象，急需快速找到起火原因：

对失效现场进行观察，烧板起火点位置集中在硬盘连接器的安装孔区域，安装孔区域的孔壁铜层和定位锡柱完全被烧毁。分析发现NPTH孔孔壁金属化，在加电工作过程中，发生CAF失效，Z终导致短路起火。

CAF生长原理：当PCBA在一定的温湿度条件下，带电工作时，在两绝缘导体间有可能会产生沿着树脂和玻纤的界面生长的CAF，Z终导致绝缘不良，甚至短路失效。CAF产生原理如下：

产生CAF的三个先决条件：①一定的温、湿度条件；②两绝缘导通间存在的电势差；③有供铜离子迁移的通道。

实验复现：对实验板绝缘电阻失效模块进行稳压12V的加电测试，试板在接通电源的瞬间即短路起火，持续通电，试样会持续起火碳化（该试验有视频记录）；

改善方案：①加大内、外层孔环到导体间距设计至300μm；②更换高Tg基材，保证其具备良好的耐热性和耐CAF性能。

② 化学沉镍金板孔环裂纹失效

2017年某跨国SMT贴装客户反馈，其在业内采购的所有ENIG板的PTH孔在回流焊接之后，测试孔孔环出现腐蚀发黑现象，探针测试无法通过，全面停线，需要进行失效分析。

除了影响探针的接触性能外，PTH孔的裂纹缺陷还会导致铜层被腐蚀，降低PCB的耐腐蚀性能，也会给产品的可焊性带来较大的失效风险。

  裂纹产生的机理：由于热胀冷缩原理，PCB板在回流焊和波峰焊时受高温膨胀，由于PCB板材的选择与表面处理工艺不匹配，板材便会给孔环一个向上的应力，将孔环向上顶起，造成孔环发生向两边翘起的形变，导致孔环出现裂纹。

 改善方案：①更换CTE更小的板材；②更换表面处理工艺。

③ PTH孔电化学腐蚀失效

2017年，某型号的8层PCB板，客户反馈该整机产品在海面及沿海地区使用3年后，出现视频信号不通的现象，在信号异常网络的PTH孔孔口位置有黑色异物残留 ，需查找根因，定位失效点。

对异物覆盖的PTH孔进行分析发现，塞孔的孔口位置处，阻焊与孔铜之间有明显裂缝，且裂缝位置处的孔铜已被腐蚀，部分孔铜缺失。

同时，对比PCB上无异物覆盖的正常PTH孔，发现正常孔内阻焊与孔壁结合良好，无裂缝，孔铜未被腐蚀，信号导通良好。

根据研究表明，在沿海高盐、高湿的环境中，物体表面会形成薄薄的一层水膜，且当相对湿度在65%-80%的空气中，物体上的水膜厚度为0.001~0.1μm，在PCB带电工作时，水膜与孔铜等共同构成了电解槽，发生电化学反应，Z终生成黑色腐蚀物，如下图:

结论：当阻焊塞孔不饱满或阻焊塞孔有裂纹时，未被阻焊完好覆盖的PTH孔孔铜会形成电解池，发生电化学反应，孔铜被腐蚀，对PCB可靠性将带来严重的风险。

改善方案：提升塞孔的饱满度，提高塞孔的质量。

当然，失效类型和模式多种多样，以下是实验室累积的其它典型PCB板级失效分析案例图片

由以上案例，我们不难发现PCB板级失效的模式越来越多，失效根因也各不相同。因此，需要将一般的失效分析思路及方法进行总结提炼，形成一套能够推广应用的方法论，在实际案例的分析中，事半功倍，快速定位根因。

化学合成技术的发展让人类成为化学领域的“上帝”，通过化学合成技术，人类不仅可以人工合成自然界中存在的化学物质，还可以创造出原来不存在的新物质。人工合成有机物在近现代社会发展中发挥着巨大的作用，但与此同时化学污染也成为生态环境的主要威胁之一。随着各类化学污染事件的爆发，工业生产中的环境保护问题越来越受重视，各种高危害性的化合物也逐渐退出了舞台。但即使过去了几十年，它们依然幽灵般的仍然徘徊在我们的生活中，威胁我们的健康。

近日，美国的一项新研究表明，残留在土壤中几十年的滴滴涕(DDT)、多氯联苯(PCB)、阻燃添加剂等有机污染物只需要极低的含量就可以对胎儿的生长发育造成不利影响。研究人员选取了2284名孕期不超过三个月的孕妇作为实验对象，检测她们血样中多氯联苯等化学污染物的含量，并用B超监测胎儿在体内的生长发育状况。Z后发现化学污染物含量较高的孕妇体内胎儿的生长发育速度比含量较低的孕妇体内的胎儿更慢。

多氯联苯、滴滴涕等化学污染物大多具有非常高的化学稳定性，曾经在实际应用中备受欢迎的化学性质，在它们对生态环境造成破坏后反过来成为污染治理的难点。难以被自然降解的人工合成有机物将在环境中残存几年甚至几十年，然后通过生物富集作用影响食物链上端的生物，包括人类。

以多氯联苯为例，自上世纪70年代开始逐渐禁用以来已经过去了将近五十年，但此前仍有研究指出某些逆戟鲸种群正因为体内多氯联苯浓度过高而面临着种群衰退的危险。这些高浓度的多氯联苯正是来自逆戟鲸的饮食，而人类也面临着类似的处境。我国沿海地区多地贝类都检测出较高水平的多氯联苯，鱼类也很容易在体内积累多氯联苯。此外多氯联苯在我国土壤中也同样广泛存在，虽然含量较低，但仍然不容忽视。这些残留的多氯联苯极有可能通过饮水与食物进入人体。

目前多氯联苯、滴滴涕、阻燃添加剂等有机污染的检测主要需要气相色谱。其中多氯联苯的检测需要利用液液萃取法或固相萃取法萃取样品中的多氯联苯，然后经过脱水、浓缩、净化、定容等样品处理步骤通过气相色谱-质谱联用仪进分离与检测。六六六、滴滴涕等有机氯农药主要使用气相色谱仪电子捕获检测器（ECD）检测法，通过气相色谱仪进行分析。

虽然已经有了成熟有效的检测方法可以检测出食品中的有机污染物含量，但是检测并不是解决问题的方法。一方面食品检测无法对市场上所有食品主义检测，只能对一部分产品进行抽查；另一方面检测仪器无法解决有机污染物的降解问题，只能治标，不能治本。

想要彻底解决有机污染物问题需要做好两方面的工作：一是做好污染物的处理工作，避免污染物再次进入环境。二是研究快速安全有效的污染物降解方式，解决环境中残留的污染物。检测仪器能做的只有尽力守好污染物进入人体的Z后关口，减少污染物对人体的影响。

电子器件在实际服役过程中，由于设计原因或器件与环境相互作用，性能或结构发生变化，可能会出现性能下降或者破坏，需要对失效的原理、机理进行明确的分析并制定相应的改善措施。

失效分析对于纠正设计和研发错误、完善产品、提高产品良品率和可靠性有重要意义，飞纳电镜可以提供简单、高效、精确的电子半导体材料检测方案，对于失效模式的确定有极大的帮助。

1. 案例一 

电子器件的异物分析

在电子器件的生产中，往往由于原料不纯、制程污染等原因引入一些杂质，这些异物对产品性能有很大影响，常会造成器件的失效。在分析的过程中，利用搭载 EDS 的扫描电镜的形貌分析能力和元素分析能力，可以很好的找到异物，并对异物形态、成分、位置进行确认，进而帮助异物的溯源和工艺的改善。如下述案例中所示为铝垫表面的异物分析，在光学显微镜下可以发现铝垫表面存在的一些白点，利用 Phenom 电镜的光镜—电镜联动功能，可以快速的进行缺陷的定位，再通过 EDS-mapping 进行成分分析可以明显的发现含 Cl、Ag 的异物，残留的氯会导致打线的结合力变差而引起失效。

铝垫表面异物的 EDS 分析 

在制备过程中利用化镍金作为最 后的保护层已经成为越来越多的电子产品的制备工艺了，但是化镍金的表面也有可能遇到吃锡不良的问题，金面污染和镍腐蚀就是两种典型的原因。如下案例中 (A)、(B) 所示，在金面上 EDS 分析发现了明显的 C、O、S 等杂质元素，这些污染物就会导致焊接过程中出现吃锡不良。另外一种吃锡不良的原因-镍腐蚀通过表面往往很难发现，这时可以借助离子切割获得平整的断面，对断面进行 EDS 分析就可以对是否是镍腐蚀造成吃锡不良进行分析了。

吃锡不良缺陷的 EDS 分析 

02. 案例二

材料的断面分析

对于电子半导体材料而言，其失效缺陷很多时候在表面是难以发现的，如上述案例中提到的化镍金吃锡不良，这种时候借助断面分析往往可以得到更多的收获。如下图 (A)、(B) 所示为吃锡不良处的扫描电镜 (SEM) 图像分析，无法发现太多异状，但是，对比 (C)、(D) 的断面分析可以清楚的看到镍腐蚀已经深入铜层。

对于 PCB 板，镀铜层是否存在“柱状结晶”等严重影响镀层热可靠性异的结晶状态、镀层间是否存在“空洞”、“裂纹”等不易监控到的异常、IMC 层是否连续均匀......这些问题都需要利用断面分析来进行判断。如下述案例 (A)、(B) 中所示的夹杂物，案例 (C)、(D) 所展示的为有无 IMC 层及 IMC 层是否连续均匀的观察，没有连续均匀的 IMC 层往往容易导致焊点间的结合不牢。

03.

Webinar 预告

为了进一步促进 PCB 行业相关客户的深度交流与沟通，飞纳电镜 —— 复纳科学仪器（上海）有限公司联合北京软件产品质量检测检验中心以及广州皓悦新材料科技有限公司一起围绕“PCB 行业产品检测分析”这一话题展开讨论，探讨 PCB 行业最 新行业解决方案及测试分析方法。

直播时间

2023 年 1 月 12 日 14:00-16:00

组织机构

主办方：

复纳科学仪器（上海）有限公司

协办方：

北京软件产品质量检测检验中心

广州皓悦新材料科技有限公司

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预约会议

江海燕

北京软件产品质量检测检验中心

集成电路测评实验室测试工程师

报告题目：失效分析技术与检测方法

报告主要是对失效分析介绍，对失效机理及失效检测方法做简单概述。依据测试经验对样品展开外观检测、内部目检、电性能能测试、无损检测及破坏性分析等，实现对对样品失效点定位及失效机理确认。

朱俊文

资 深扫描电镜应用专家，TPCA 讲师

报告题目：PCB 最 新样品制备与 SEM 分析方法

1. 如何快速的制备 PCB 样品

2. ECCI 分析模式

3. PCB 分析案例分享

贺启云

广州皓悦新材料科技有限公司

经理 / 研发应用

报告题目：扫描电镜在 PCB 相关检测分析的应用分享

1. PCB 样品制作及注意事项

2. 电镜模式在 PCB 检测分析的应用分享

3. 元素分析在 PCB 检测分析的应用分享

参与本次研讨会将有机会获得精美奖品一份哟！