详细分析PCB可靠性问题及案例

自20世纪50年代初，印制电路板（PCB）一直是电子封装的基本构造模块，作为各种电子元器件的载体和电路信号传输的枢纽，其质量和可靠性决定了整个电子封装的质量和可靠性。而随着电子产品的小型化、轻量化和多功能化要求，以及无铅、无卤进程的推动，对PCB可靠性的要求会越来越高，因此如何快速定位PCB可靠性问题并作相应的可靠性提升成为PCB企业的重要课题之一。

常见PCB可靠性问题和典型图例

可焊性不良

（不润湿）

可焊性不良（不润湿）

虚焊

（枕头效应）

邦定不良

分层爆板

开路（通孔）

开路

（激光盲孔） 

开路（线路）

开路（ICD）

短路（CAF）

短路（ECM）

烧板

而在实际可靠性问题失效分析中，同一种失效模式，其失效机理可能是复杂多样的，因此就如同查案一样，需要正确的分析思路、缜密的逻辑思维和多样化的分析手段，方能找到真正的失效原因。在此过程中，任何一个环节稍有疏忽，都有可能造成“冤假错案”。

可靠性问题的一般分析思路背景信息收集

背景信息是可靠性问题失效分析的基础，直接影响后续所有失效分析的走向，并对最终的机理判定产生决定性影响。因此，失效分析之前，应尽可能地收集到失效背后的信息，通常包括但不仅限于：

（1）失效范围：失效批次信息和对应的失效率

①若是大批量生产中的单批次出问题，或者失效率较低时，那么工艺控制异常的可能性更大；

②若是首批/多批次均有问题，或者失效率较高时，则不可排除材料和设计因素的影响；

⑵失效前处理：失效发生前，PCB或PCBA是否经过了一系列前处理流程。常见的前处理包括回流前烘烤、有/无铅回流焊接、有/无铅波峰焊接和手工焊接等，必要时需详细了解各前处理流程所用的物料（锡膏、钢网、焊锡丝等）、设备（烙铁功率等）和参数（回流曲线、波峰焊参数、手焊温度等）信息；

（3）失效情境：PCB或PCBA失效时的具体信息，有的是在前处理比如说焊接组装过程中就已失效，比如可焊性不良、分层等；有的则是在后续的老化、测试甚至使用过程中失效，比如CAF、ECM、烧板等；需详细了解失效过程和相关参数；

失效PCB/PCBA分析

一般来说失效品的数量是有限的，甚至仅有一块，因此对于失效品的分析一定要遵循由外到内，由非破坏到破坏的逐层分析原则，切忌过早破坏失效现场：

（1）外观观察

外观观察是失效品分析的第一步，通过失效现场的外观形态并结合背景信息，有经验的失效分析工程师能够基本判断出失效的数个可能原因，并针对性地进行后续分析。但需要注意的是，外观观察的方式很多，包括目视、手持式放大镜、台式放大镜、立体显微镜和金相显微镜等。然而由于光源、成像原理和观察景深的不同，对应设备观察出的形貌需要结合设备因素综合分析，切忌贸然判断形成先入为主的主观臆测，使得失效分析进入错误的方向，浪费宝贵的失效品和分析时间。

（2）深入无损分析

有些失效单单采用外观观察，不能收集到足够的失效信息，甚至连失效点都找不到，比如分层、虚焊和内开等，这时候需借助其他无损分析手段进行进一步的信息收集，包括超声波探伤、3D X-RAY、红外热成像、短路定位探测等。

在外观观察和无损分析阶段，需注意不同失效品之间的共性或异性特征，对后续的失效判断有一定借鉴意义。在无损分析阶段收集到足够的信息后，就可以开始针对性的破坏分析了。

（3）破坏分析

失效品的破坏分析是不可少的，且是最关键的一步，往往决定着失效分析的成败。破坏分析的方法很多，常见的如扫描电镜&元素分析、水平/垂直切片、FTIR等，本节不作赘述。在此阶段，失效分析方法固然重要，但更重要的是对缺陷问题的洞察力和判断力，并对失效模式和失效机理有正确清楚的认识，方可找到真正的失效原因。

裸板PCB分析

当失效率很高时，对于裸板PCB的分析是有必要的，可作为失效原因分析的补充。当失效品分析阶段得到的失效原因是裸板PCB的某项缺陷导致了进一步的可靠性失效，那么若裸板PCB有同样的缺陷时，经过与失效品相同的处理流程后，应体现出与失效品相同的失效模式。若没有复现出相同的失效模式，那只能说明失效品的原因分析是错误的，至少是不全面的。

复现试验

当失效率很低且无法从裸板PCB分析中得到帮助时，有必要对PCB缺陷进行复现并进一步复现失效品的失效模式，使得失效分析形成闭环。

在面临着PCB可靠性失效日益增多的今天，失效分析对于设计优化、工艺改善、材料选型提供了重要的第一手信息，是可靠性增长的起点。兴森科技中央实验室自成立以来，一直致力于可靠性失效分析领域的研究。从本期开始，将逐步介绍我们在可靠性失效分析方面的心得体会及典型案例。