第二章 电子组件失效分析方法概述

第二章电子组件失效分析方法概述
2.2失效分析方法
①外观检查
②X射线分析
③金相切片
④声学扫描
⑤红外热像分析
⑥扫描电镜及能谱分析
⑦显微红外分析
⑧热分析
⑨其它分析方法
2.1失效分析概述
①失效定义
②失效分析要求
③失效分析基本流程
④失效分析原则
失效－产品丧失规定的功能。
产品：可修复不可修复
丧失：可能是一个动作或一个逐步的过程。
规定功能：国家法规、质量标准、技术文件、合同要求等。
失效的例子：
①焊点腐蚀/焊点开裂等
②PCB焊盘明显变色
③PCB某绝缘的两点之间存在漏电流并影响功能
①整机无预定的功能，如手机不能开机

2.1失效定义
失效分析
失效分析－判断产品的失效模式、查找产品的失效机理和原因，提出预防再失效的对策的技术活动和管理过程。
失效分析的主要内容包括：
明确分析对象
确定失效模式
研究失效机理
判断失效原因
提出预防措施
模式明确
原因明确
机理清楚
措施得力
模式再现
举一反三
失效分析的目标
例：电子组件的失效为漏电失效，失效孔间阳极导电丝的生长是导致漏电的原因。阳极导电丝的生长是由于PCB钻孔质量差引起的，建议加强PCB质量控制，特别是钻孔质量控制。

找什么用什么找怎么找怎么样
电子组件失效分析思路
电子组件失效分析基本流程续
失效信息外观及电性能测试失效模式及机理初步判断无损检测破坏性分析失效模式及机理确认失效分析结束
失效阶段
失效现象
物料特征
工艺特征
应力特征
环境特征
X-射线声学扫描红外分析红外热成像电性能
金相分析染色试验SEM&EDS器件开封。。。

失效分析中人的作用
获取有用信息进行信息判断，推断可能机理进行信息（证据）采集信息再次确认判断获取结论要求：掌握失效分析机理掌握失效分析必要手段具备很强的逻辑分析能力
先非破坏性分析，后破坏性分析
预先清楚每分析项目的目的、可能发生的情况
不引入新机理，或可界定所引入的新机理
不遗漏信息
养成作记录的习惯
以失效表征为基础，以失效特征与机理的因果关系为依据，以逻辑性为主线，不牵强，不生硬。
自圆其说，不能自圆其说的疑点，往往是失效的本质
失效分析中应该特别注意的问题

2.3失效分析常用方法和手段
2.3.1光学显微技术2.3.2X-射线检测技术2.3.3声学扫描检测技术2.3.4红外热成像技术2.3.5金相分析技术2.3.6扫描电镜及能谱技术2.3.7材料分析技术2.3.8电性能测试技术2.3.9热分析技术2.3.10其他分析技术
2.3.1光学显微技术
主要作用：在失效分析过程中提供一组清晰、简明的图像，用于记载失效分析的整个过程。清晰的照片有助于说明在书面报告中难以描述的异常现象。如：所检元器件引脚及焊点表面存在严重的腐蚀（退色的表面或则光亮表面生锈）

光学检查在电子组件失效分析中的应用
焊点：润湿角失效部位焊点表面颜色PCB：表面清洁情况（残留、污染等）表面起泡等器件：结构完整性引脚腐蚀等
光学检查在电子组件失效分析中的应用
光学检查主要寻找的特征：（1）基板的裂缝。表明机械的弯曲和应力（2）过热或者变色的线路。过电流的标志（3）破裂的焊点。可焊性的问题或者焊料的污染（4）若干焊点具有灰暗的表面或者过多过少的焊料。这些特征为工艺差、污染物或者过热的标志。（5）脱色的元器件。可能意味着过热（6）明显的焊接残留物。可能污染或者工艺问题（7）引脚腐蚀和污染。（8）失效位置特征等。
注意在分析过程中近可能多拍外观照片

光学检查可发现的缺陷举例
反润湿
烧焦，烧毁或对绝缘、印制线路板的其他损害
毛刺或搭桥
虚焊互连
松香残留
焊点应力纹
松动的引脚
破裂的焊点
焊料小球
电迁移枝晶
热损坏或互连处的熔化
腐蚀或氧化
线路板分层
线路板翘曲
切割、刻痕等机械损伤痕迹

电子组件用显微镜要求
1Z常用低放大倍数的体视显微镜（6～200X）。
焊点外观观察一般用40X
2体视显微镜的工作距离大、景深好。
2.3.2X－射线检测技术
焊点内部缺陷检查
通孔内部缺陷
密集封装BGA、CSP缺陷焊点定位
PCB缺陷定位（短路开路）
器件内部结构分析（键合失效）

X－射线的定义
X-射线：波长为0.1~10A的电磁辐射。
X-射线在电子故障中的应用
确定元件内部状态
检查焊接部位
为解剖和拆卸做准备
X－射线检测基础
X－射线发生机理

X射线检测示意图
X－射线成像原理
X－射线检测寻找的主要特征：（1）任何不连续性和线路的损坏（2）未完全填满的通孔（3）位置未对准的线路或者焊盘（4）BGA焊点的空洞和形状异常
缺点：难以检测到裂缝
失效定位－开路
失效定位－润湿不良
失效定位－枕头效应

2.3.3扫描超声显微镜检查
1.元器件封装内部内部缺陷（分层、空洞、裂纹）检查2.FCOB倒装焊点空洞以及微裂纹分析
失效定位模式判定
利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的位相及振幅变化来成像
可以检测到的缺陷
1.Delamination（离层）
2.PackageCrack（塑封体裂缝）
3.DieCrack（硅片裂缝）
4.Void（空洞）
5.Tilt（硅片倾斜）
6.ForeignMaterials（外来杂质）
Delamination
PKGCrack
Void
PKGCrack
ChipCrack

使用超声波检测的原理
SignalsinDigitalOscilloscope
PackageSurface
DieSurface
DieBottom
Inspectdefectsusingreflectedsignalineachinterface用反射信号检测每个界面的缺陷
DieAttachAdhesive
Die
EMC
DieSurface
DieBottom
PackageSurface
Ultrasonic超声波
Transducer超声波探头窗口
窗口
反射率参数表
潮湿敏感损伤－声学扫描案例
界面开裂导致键合引线拉断
爆米花效应”拉断内引线键合丝和造成芯片破裂的案例
试验前发现样品表面有鼓起
声扫发现样品有分层
开封发现样品芯片有开裂
开裂芯片放大图

（a）底座－陶瓷界面（b）陶瓷－芯片界面失效品声学扫描照片
（a）底座－陶瓷界面（b）陶瓷－芯片界面良品声扫形貌
C-SAM测试结果实例2
2.3.4金相分析技术
方法与步骤
取样
镶嵌
切片
抛磨
腐蚀
观察
（IPC－TM－6502.1.1）获得焊点界面结构的信息

步骤1取样
推荐的样品剥离方法
剥离方法和设备
推荐的样品
切割轮
金属样品
切片锯金刚石刀片
陶瓷封装和金属封装
刨削机
印制电路板
低熔点再流加热
金相结合的芯片
高温剪钳
附在环氧树脂上的芯片
手持式切割工具
金属封装和印制电路板
取样注意事项
注意：Z好使用专用工具（取样机或慢锯），过程小心！以免制样造成原来失效现场破坏，产生新的失效。

步骤2灌封
灌封材料的要求：
高硬度、纯净清洁、低收缩、耐化学物质作用和低温固化。
常用材料：环氧树脂聚脂和聚丙烯
在灌封前必须对样品进行清洗：
水洗－异丙醇－干燥压缩空气吹干
真空浸渍：
确保环氧树脂和样品表面接触并填充良好。
可能的问题：
开裂（灌封材料和样品之间）
气泡（灌封材料内部或材料和样品之间）
步骤3研磨－用磨料去除样品的表面物质切割件150粒度400粒度1200粒度2000粒度Z后抛光
砂纸一般采用碳化硅纸

步骤4抛光
原理与抛光一样，不同在于磨料是悬浮的。
常用磨料：金刚石氧化铝胶态硅石
步骤5腐蚀
目的：显示样品的反差，并去除在前面过程中可能产生的残留物和变形层。如：残留的锡等。
焊料组成
试验前已经开裂或开路试验前部分开裂器件一端
PCB端
分析案例
染色与渗透测试的作用

2.3.6红外显微镜分析
原理与直接用途：利用不同有机物对红外光谱不同吸收的原理，分析有机物成分，结合显微镜可使可见光与红外光同光路，就可以分析微量的有机污染物。
焊点表面（有机）污染物分析（分析腐蚀失效原因）
可焊性不良的焊盘表面有机污染物分析（分析焊点开路或虚焊的深层次原因）
金手指有机沾污
FT－IRMicroscopy
用途：失效原因分析
1）PCBA1838样品2处白雾状物质15/12/20052）PCBA1837样品2处白雾状物质15/12/20053）PCBA1838样品1处白雾状物质13/12/20054）锡线焊后残留物13/12/2005
红外显微镜分析-----PCBA污染分析案例

红外显微镜分析--材料一致性检验
芯板A
芯板B
2.3.7扫描电镜分析技术
1失效准确定位2失效原因分析3焊点质量分析4可靠性验证分析
作用
Ni层
EDX
SEM

SEM设备原理
电子枪发射的电子束，经透镜和物镜的缩小和聚焦后，以较小的直径、较高的能量和强度到达试样的表面。在扫描线圈的偏转作用下，电子束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动。入射电子于样品表面互相作用，产生背散射电子和二次发射电子。只要样品表面发射的两种电子的一种，即可得到电子扫描的图象。
扫描电子显微镜SEM-检测原理
入射电子束与样品表面作用，将产生多种特征电子束。
二次电子产生于样品表面5～10nm范围内，二次电子能够较好的反映样品表面的形貌。
俄歇电子1nm特别适用于表面成分分析
背散射电子产生于样品表面100～1000nm范围内，随着物质原子序数的不同而发射不同特征的背散射电子，因此SEM的背散射电子图象具有形貌特征和原子序数判别的能力。－IMC

二次电子分辨率为5～10nm，常用于表面形貌特征观察；
背散射电子分辨率为50～200nm，常用于对表面成分作定性分析；背散射电子像常常用于金属间化物分析；
二次电子图象的放大倍数可达几十万倍；
试样要求导电，对非导体和部分半导体需要喷金或碳处理；
扫描电镜图象景深远远大于光学显微镜，是显微断口结构分析的重要方法。
扫描电子显微镜SEM-检测原理
SEM的应用举例－焊接质量评价
IMC分析

应用2-PCB表面处理分析
应用3---锡须观察
主要用于元素的定性分析；
能谱仪能够分析原子序数大于5的元素，波谱仪可以分析原子序数从4～92之间的所有元素；
EDS的分析方式有点分析、线分析和面分析；
EDS做微区分析时所激发的体积为10um3左右；
EDS常常与SEM结合使用，可对目标部位进行点、线、面形貌扫描和成分分析；
EDS的定量分析精度较低（检测限一般>0.2wt%）。
EDS分析方法
EDS的应用场合及注意事项
线路发黑故障分析
发黑位置是什么物质-元素分析
银氧化是导致发黑的原因
2.3.8热分析技术
①TGA热重分析
②DSC示差扫描热分析
③TMA热机械分析
2.3.8.1TGA热重分析
热重法（Thermogravimeter）是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系的一种方法。TGA通过精密的电子天平可监测物质在程控变温过程中发生的细微的质量变化。根据物质质量随温度（或时间）的变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。
在电子行业中则主要用于分析各类封装材料以及PCB板材的物理化学及热力学性能，以及分层爆板的失效分析。
50100150200250300温度/℃65707580859095100TG/%%温度查找:98.00%225.7℃%温度查找:95.00%262.1℃[2]
PCB基材的热分解温度
2.3.8.2DSC示差扫描热分析
差示扫描量热法（DifferentialScanningCalorimetry）是在程序控温下，测量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度（或时间）关系的一种方法。DSC在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，可通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，而使两边热量平衡，温差ΔT消失，并记录试样和参比物下两只电热补偿的热功率之差随温度（或时间）的变化关系。根据功率差与温度（或时间）的变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。在电子行业中则主要用于分析无铅或有铅焊料的熔点或液固相范围、封装材料的固化程度以及PCB失效分析等。
DSC应用的例子
PCB基材玻璃化转变
2.3.8.3TMA热机械分析
热机械分析技术（ThermalMechanicalAnalysis）用于程序控温下，测量固体、液体和凝胶在热或机械力作用下的形变性能，常用的负荷方式有压缩、针入、拉伸、弯曲等。测试探头由固定在其上面的悬臂梁和螺旋弹簧支撑，通过马达对试样施加载荷，当试样发生形变时，差动变压器检测到此变化，并连同温度、应力和应变等数据进行处理后可得到物质在可忽略负荷下形变与温度（或时间）的关系。根据形变与温度（或时间）的关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。在电子行业中则主要用于各种无机、有机材料的热膨胀性能、应力应变关系及PCB失效分析等领域。

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