電子組裝工藝失效分析技術
1.1失效分析技術
失效分析是電子組裝工藝可靠性工作中的一項重要內容，開展電子工藝失效分析工作必須具備一定的測試與分析設備。失效分析包括失效情況的調查分析、失效模式的鑒別、失效特徵的描述、假設和確定失效模式，以及提出糾正措施和預防新失效的發生等。
電子組裝工藝的失效分析是對根據性能失效判定為失效的焊點、過孔、走線等於組裝工藝有關的失效現象進行事後檢查和分析工作，目的是發現並確定組裝工藝有關的失效原因和機理，要反饋給設計、製造和使用方，防止失效的再次發生，達到提高電子產品工藝可靠性的目的，作用如下：
（1）通過失效分析，改進硬體設計、工藝設計及可靠性應用的理論和方法。
（2）通過失效分析找到引起失效的物理現象，得到可靠性預測的模型。
（3）為可靠性試驗（加速壽命和篩選試驗）條件提供理論依據和實際分析手段。
（4）在處理中若為工藝問題，確定是否為批量性問題，為是否需要批次性召回和報廢提供依據。
（5）通過失效分析的改善糾正措施，提高產品良率和可靠性，減少產品運行故障，獲得一定的經濟效益。
電子組裝工藝失效分析技術與方法主要有：外觀檢查、金相切片分析、光學顯微鏡分析技術、紅外顯微鏡分析技術、聲學顯微鏡分析技術、掃描電子顯微鏡技術、電子束測試技術、x-射線分析技術及染色與滲透分析技術。本章將重點介紹電子組裝工藝失效分析中經常使用的分析技術的原理、方法。
1.1.1外觀檢查
外觀檢查主要是分析外觀缺陷，目的是記錄PCB、元器件和焊點等物理尺寸、材料、設計、結構和標記，確認外觀的破損，檢測污染等異常和缺陷，這些問題都是工藝製造或應用中造成的錯誤、過負載和操作失誤的證據，很可能與失效是相關的。外觀檢查通常採用目檢，也可以用1.5 ~ 10倍的放大鏡或光學顯微鏡。外觀檢查要特別注意以下幾方面內容的檢查：
（1） 機械損傷
（2） 器件密封缺陷
（3） 器件引腳鍍層缺陷
（4） PCB表面的污染或黏附物
（5） PCB的分層和爆裂等
（6） 器件的熱損傷或電器損傷情況
（7） PCB焊盤表面處理異常
（8） 焊點缺陷
1.1.2金相切片分析
金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，採用定量金相學原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關係。金相樣品製備流程：
（1）試樣選取部位確定及截取方式：選擇取樣部位及檢驗面，此過程綜合考慮樣品的特點及加工工藝，且選取部位需具有代表性
（2）鑲嵌：取金相切片專用模具，將試樣直立與模內，讓待檢部位朝上。取一紙杯將冷埋樹脂（固態）與固化劑（液態）按2:1體積比混合，攪拌均勻，倒入模內，直到樣品完全浸沒，將模具靜置10-20min，待樹脂完全固化。
（3）試樣粗磨：粗磨的目的是平整試樣，磨成合適的形狀。待固化完全後，先將較粗的金相砂紙將樣品磨至接近待檢部位，在按金相專用砂紙目數有小到大的順序進行粗磨和細磨。
（4）試樣精磨：精磨的目的是消除粗磨時留下的較深的劃痕，為拋光做準備。對於一般的材料磨製方法分為手工磨製和機械磨製兩種。
（5）試樣拋光：拋光的目的是把磨光留下的細微磨痕去除，成為光亮無痕的鏡面。一般分為機械拋光、化學拋光、電解拋光三種，而最常用的為機械拋光。拋光粉粒徑約為0.05um
（6）試樣微蝕：顯微鏡下觀察到拋光樣品的組織必須進行金相腐蝕。腐蝕的方法很多種，主要有化學腐蝕、電解腐蝕、恆電位腐蝕，而最常用的為化學腐蝕，用微蝕溶液為濃氨水和30%的雙氧水按體積比9:1的比例混合）對待檢表面進行塗抹處理，時間約為10s,然後用清水將表面清洗乾淨，吹乾。
（7）觀測：根據待檢部位具體情況，選擇適當的放大倍數，直到能夠清晰觀察到真實圖像。
圖14-1金相切片典型案例（a：PTH通孔焊點b:翼型焊點）
1.1.3分析技術
X射線分析技術是一種藉助X射線來識別原子種類的高技術。X射線是一種波長短、能量高的電磁波。當用X射線照射物質時，除發生散射和吸收現象外，還會造成原子內的電子發生電離，內層軌道的電子脫離原子，形成一個空位，使原子處於「激發態」，這樣外層電子就會自動向內層跳去，填補這個空位，從而發射出一定能量的X射線。由於它的波長和能量與原來照射的X射線不同，科學家將其稱為次級X射線，又叫X射線熒光
X光透射系統就是利用不同材料厚度或不同材料密度對X光的吸收或透過率的不同原理成像，用來檢查焊點內部的缺陷、通孔內部缺陷、高密度封裝的BGA或CSP器件的缺陷焊點的定位，同時也可檢查PCB內部缺陷等等。X-ray 分析是一種無損檢測分析技術。
a: X-ray示意圖b: PTH通孔爬錫高度
c : BGA焊點枕頭效應d: BGA焊盤翹起
圖14-2
1.1.4光學顯微鏡分析技術
光學顯微鏡是進行電子元器件、半導體器件和集成電路失效分析的主要工具之一。主要有立體顯微鏡和金相顯微鏡。兩者結合起來使用，可用來進行器件外觀以及失效部位的表面形狀、分布、尺寸、組織、結構、缺陷和應力等觀察，如觀察分析晶元在過電應力下的各種燒毀與擊穿現象、引線內外鍵和、晶元裂縫、玷污、劃傷、氧化層缺陷及金屬層腐蝕等情況。
立體顯微鏡放大倍數較低，從幾倍到上百倍，但景深大。金相顯微鏡放大倍數較高，從幾十倍到一千多倍，但景深較小。兩者除了放大倍數不同外，其結構、成像原理及使用方法基本相似。均是用目鏡和物鏡組合來成像的，立體顯微鏡一般稱正像，金相顯微鏡所成的像是倒像。像的放大倍數是目鏡和物鏡兩者放大倍數之積。立體顯微鏡和金相顯微鏡均有入射和透射兩種照相方式，並配有一些輔助裝置，可提供明場、暗場、微分干涉相襯和偏振等觀察手段，以適應不同觀察的需要。
1.1.5聲學顯微鏡分析技術
聲學顯微鏡:scanning AcousticMicroscope, 目前，聲學顯微鏡已成為無損檢測技術中發展最快的技術之一，主要是針對半導體器件 ,晶元,材料內部的失效分析．其可以檢查到:1.材料內部的晶格結構,雜質顆粒．夾雜物．沉澱物．2. 內部裂紋.3.分層缺陷.4.空洞,氣泡,空隙等
主要包括三種聲學顯微鏡：掃描激光聲學顯微鏡（scanningLaser Acoustic Microscope,SLAM; 掃描聲學顯微鏡（ScanningAcoustic Microscope, SAM; C型掃描聲學顯微鏡（C-Mode ScanningAcoustic Microscope, C-SAM）.從觀察物體的深度來說，每一類型聲學顯微鏡都用其自己的應用區域。如SLAM能觀察到樣品內部所有區域，C-SAM能觀察到樣品表面以下幾毫米的區域，而SAM則只能觀察到樣品表面幾微米的區域。
圖14-3掃描聲學顯微鏡原理
C-SAM是一種反射式掃描聲學顯微鏡，是無損檢測技術中一項重要的技術。它是利用高頻超聲波在材料不連續界面上反射產生的振幅及相位與極性變化來成像，其掃描方式是沿著Z軸掃描X-Y平面的信息。內部造影原理為電能經由聚焦轉換鏡產生超聲波觸擊在待測物品上，將聲波在不同介面上反射或穿透訊號接收後影像處理，再以影像及訊號加以分析。
C-SAM即最利用此特性來檢出材料內部的缺陷並依所接收之訊號變化將之成像。因此，只要被檢測的IC上表面或內部晶元構裝材料的介面有脫層、氣孔、裂縫…等缺陷時，即可由C-SAM影像得知缺陷之相對位置。
圖14-4封裝體
目前用於電子封裝或組裝分析的主要是C模式的超聲波掃描聲學顯微鏡，典型的掃描聲學的圖像是以紅色的警示色表示缺陷的存在，如圖14-4
由於大量的塑封元器件在SMT工藝中的應用，在有鉛工藝轉換無鉛工藝的過程中，由於器件潮敏問題，即濕的塑封器件在更高的無鉛迴流溫度條件下，易出現內部分層開裂現象。PCB板也易出現爆板現象，此時，掃描聲學顯微鏡就凸顯出無損探傷分析技術的優勢。
1.1.6掃描電子顯微鏡技術(SEM)
掃描電子顯微鏡（ScanningElectron Mircroscope, SEM）是近30年才發展起來的一種精密的大型電子顯微鏡成像系統。
工作原理是：利用陰極發射的電子束經陽極加速，由磁透鏡聚焦後形成一束直徑為幾十至幾百千埃（A）的電子束流。在掃描線圈的偏轉作用下，電子束以一定時間和空間順序在試樣表面做逐點掃描運動，這束高能電子束轟擊到樣品表面上會激發多種信息。樣品在電子束的轟擊下會產生二次電子和背射電子等各種信號。這些激發出來的信息經過收集、放大，就能從熒幕上得到各種相應的圖像。激發的二次電子產生於樣品表面5-10nm範圍內，因而，二次電子能夠較好的反映樣品表面的形貌，所以最常用作形貌觀察；而激發的背散射電子則產生與樣品表面100-1000nm範圍內，隨著物質原子序數的不同而發射不同特徵的背散射電子，因此的背散射電子圖像具有形貌特徵和原子序數判別的能力，因此，背散射電子像可反映化學元素成分的分布。
在焊點失效分析方面，SEM主要用來做失效機理的分析，具體來說就是用來觀察焊點金相組織、測量金屬間化合物。可焊性鍍層分析以及做錫須分析測量。圖14-5和圖14-6所示為2012年8月份我司A4項目（n6760S）ST主晶元問題導致的焊點失效的金相SEM電鏡圖。
圖14-5 Imc過厚圖14-6器件側開裂
與光學顯微鏡不同，掃描電鏡所成的是電子像，因此，只有黑白兩色；並且掃描電鏡的試樣要求導電，對非導體和部分半導體需要噴金或碳處理，否則電荷聚集在樣品表面就影響樣品的觀察。此外，掃描電鏡圖像景深遠遠大於光學顯微鏡，是金相結構、顯微斷口以及錫須分析的重要方法。
1.1.7X射線能譜分析
掃描電鏡一般都配有X-射線能譜儀。當高能電子束撞擊樣品表面時，表面物質的原子中的內層電子倍轟擊逸出，外層電子向低能級躍遷時就會激發出特徵X射線，不同元素的原子能極差不同而特徵X-射線就不同，因此，可以將樣品發出的特徵X射線作為化學成分分析。
隨著電子束的掃描方式不同，能譜儀可以進行表面的點分析、線分析和面分析，可得到元素不同分布的信息。點分析得到一點的所有元素；線分析每次對指定的一條線做一種元素分析，多次掃描得到所有元素的線分布；面分析對一個指定面內的所有元素分析，測得元素含量是測量面範圍的平均值。
在焊點的分析上，能譜儀主要用於焊點金相組織成分分析，可焊性不良的焊盤與引線腳表面污染物的元素分析。能譜儀的定量分析的準確度有限，低於0.1%的含量一般不易檢出。能譜與SEM結合使用可以同時獲得表面形貌與成分的信息，這是他們應用廣泛的原因所在。圖14-7 是先用SEM觀察分析焊點橫截面的開裂部位，然後用EDS分析有機物成分案例。
圖示SEM&EDS分析表明焊球與焊料之間存在明顯的有機物成分
圖14-7
1.1.8染色與滲透技術
對於BGA類焊點的裂紋，一般顯微鏡以及X光透視都無法檢測到，即使切片也不知從哪裡切起，這時就用到了染色與滲透技術（Dye&Pry）。這是一種簡單實用的焊點缺陷定位技術，不過這種測試方法是破壞性的，但是可以得到裂紋分布以及裂紋開裂界面的重要信息。
其基本原理和方法是，通過將PCBA樣品至於紅色的染色液中，讓染色液充分滲透到有裂紋或孔洞的地方，待乾燥後垂直剝離元器件，其引線腳與焊盤從有裂紋或孔洞等薄弱界面分離，元器件分離後被染紅的焊點界面將指示該處在強行剝離前存在缺陷，並根據開裂處的界面的染色面積與界面來判斷裂紋的大小與深淺，以及裂紋的界面，從而獲得焊點質量信息。通過染色與滲透試驗可以獲得焊點分離界面的信息與失效焊點分布的信息，這對焊點的質量評估以及失效原因分析非常有價值。
染色與滲透試驗方法流程如下：
樣品準備
染色與滲透
烘烤
器件分離
檢查與記錄
染色與滲透試驗結果的分析與應用
通過染色試驗可以得到焊點質量的信息，尤其是通過對分離界面及其分布的信息可以獲得工藝改進的依據，甚至能夠分清質量事故的責任。首先，可以通過染色找到焊點中裂紋存在的界面，以BGA器件為例，其分離模式如下：
Type 1 : BGA封裝本體與器件焊盤開裂
Type2: BGA焊球與器件焊盤開裂
Type3：BGA球本體開裂
Type4：BGA球與PCB焊盤開裂
Type5：PCB焊盤與PCB基板開裂
圖14-8
如果出現第一種或第二種開裂失效模式，則至少證明這是器件本身的質量問題，是器件在加工植球的時候沒有控制好最佳條件，導致該處出現裂縫；
如果出現第三種失效模式情況，則情況比較複雜：可能是SMT工藝沒有控制好導致焊球中大量氣孔或迴流不足金屬化不好，使得可能低應力存在導致裂紋，這種情況需要金相切片來做進一步的判斷；
如果是第四種失效模式，則表明該BGA焊球表面可能受到嚴重污染或氧化，可以通過流程查找與批次統計分析來判斷污染或氧化的來源；
如果是第五種情況，則可能存在三種情況：一是PCB焊盤受到氧化或污染導致可焊性不良，二可能是焊錫膏的潤濕性不良或漏引，三則可能是工藝參數設置不良，導致焊錫膏的潤濕不佳，而第一種情況存在的可能性最大，這可以通過其他手段如可焊性測是與SEM等進一步分析來判斷。二第六種失效模式則確定是PCB本身質量問題，一般是焊盤附著力太差導致。
此外，我們還可以使用失效分布圖（Mapping）方式來清晰地表徵失效焊點的分布，（如圖14-9）圖中每個焊點用一個空格來表示，空格的顏色代表焊點裂紋的面積占整個焊點面積比例大小。通過這樣一個Mapping圖，可以獲得更多有用的信息。如果焊點開裂失效集中在某個區域，在選擇切片分析時將有意識的選擇這個位置進行分析，這樣可提高工作效率。另外，焊點裂紋集中的地方可能是受到應力最大的地方，如四周的焊點，這樣就可以通過PCB的設計與工藝優化來進行改善。總之，Mapping圖會給出焊點整體質量的直觀信息，如果裂紋（紅、黃、綠）太多且雜亂無章。則顯示許多工藝需要改進。
圖14-9
表14-1
1.1.9焊點染色滲透結果矩陣圖
這種通過染色面積來檢測焊點的裂紋大小或深度的方法與難度更大的金相切片檢測方法相比，有時往往更加準確。如圖14-10，如果按A線切片，得到的結果將是焊點貫穿性開裂，而如果按B線切片，則結果是未見開裂。這時染色與滲透試驗的結果則更可能全面反映焊點質量的實際情況。
圖14-11典型案例是主晶元焊接量的染色滲透試驗的分析圖片，通過試驗分析，大部分焊點開裂分布在器件焊盤側與焊球間開裂。
圖14-11
1.2可靠性工程試驗
1.2.1可靠性試驗的分類
可靠性試驗是對產品進行可靠性調查、分析和評價的一種手段。試驗結果為故障分析、研究採取的糾正措施、判斷產品是否達到指標要求提供依據。具體目的有：
(1) 發現產品的設計、元器件、零部件、原材料和工藝等方面的各種缺陷；
(2) 為改善產品的完好性、提高任務成功性、減少維修人力費用和保障費用提供信息；
(3) 確認是否符合可靠性定量要求。
由可靠性試驗的目的出發，可分為可靠性工程試驗和可靠性驗證試驗兩大類，每類試驗又包括幾種試驗項目。
(1) 可靠性工程試驗，其目的在於暴露產品故障以便人們消除它，由承製方進行，試驗樣品從研製樣機中取得。可靠性工程試驗包括環境應力篩選和可靠性增長試驗。
工程試驗的出發點是：盡量徹底地暴露產品的問題、缺陷，並採取措施糾正，再驗證問題得到解決、缺陷得到消除與否。經過工程試驗的產品，其可靠性自然會提高，滿足用戶要求的可能性也必然增大。可見，可靠性工程試驗是產品的可靠性基礎工作，是產品研製生產的工藝過程。
(2) 可靠性驗證試驗，從試驗原理來說，要應用統計抽樣理論，因此又稱統計試驗。其目的是為了驗證產品是否符合規定的可靠性要求，由承製方根據有關標準和研製生產進度制訂方案和計劃，經定購方認可；這類試驗必須能夠反映裝備的可靠性定量水平，因此試驗條件要盡量接近使用的環境應力；試驗結果要作出接收或拒收的判斷，因此對試驗時間和發生的故障應作詳細記錄，經過與失效判據的對比分析後，試驗各方統一認識後才能作出最後的結論。
1.2.2可靠性試驗項目的區別
產品研製生產過程除進行可靠性試驗之外,一般還要進行環境（鑒定）試驗，各種試驗的目的不同，不能相互取代，它們的區別可參閱表14-1。
一、試驗安排
在安排試驗計劃時，應將可靠性試驗與性能試驗、環境應力和耐久性試驗儘可能地結合起來，構成比較全面的可靠性綜合試驗計劃。這樣可避免重複試驗，保證不漏掉在單獨試驗中易疏忽的問題和缺陷，可提高效率節省費用。
表14-2環境應力篩選、環境鑒定試驗、可靠性統計試驗區別
(1) 產品的性能試驗應在樣機製造出來後即進行，試驗暴露的缺陷應成為改進措施的直接依據。評定產品性能和可靠性是否滿足用戶要求，必須在標準環境條件下使用規定容限值進行性能測量，以獲得重現結果和所需的精度。
要分別測量記錄試驗前（標準條件）、試驗中（試驗條件）、試驗後（標準條件）的性能，以便進行比較。
(2) 環境應力的種類要按照實際情況進行綜合。環境應力至少應包括熱、振動、潮濕等應力；溫度循環中的濕度等級應足以產生明顯的冷凝和霜凍；振動應力應考慮振動類型、頻率範圍、應力大小和使用方法及振動方位等因素。這一切應能類似於現場使用環境和任務剖面所產生的情況。
(3) 耐久性試驗一般包括環境試驗、過負荷試驗、模擬或接近環境剖面的循環試驗。試驗中發生的問題都要作出分析並採取糾正措施。然後對改進後的產品再作試驗，以證明問題是否已經解決。
1.2.3試驗評估
l試驗條件的評估
試驗條件和步驟、方法都要儘可能模擬產品的壽命剖面和任務剖面，使試驗具有真實性。試驗的目的是暴露在使用環境下才能發生的問題、故障和缺陷。如果試驗只能暴露一部分問題，這是在浪費時間和資源。試驗模擬的程度，取決於試驗目的。
(1) 試驗真實性不高的原因可能是忽視了某些應力。如接插件作靜態壽命試驗時忽略了振動應力，致使現場使用時故障頻繁。
(2) 暴露缺陷的試驗，施加的應力高於使用應力也是合適的。「過應力」試驗一般用於工程可靠性試驗，如老煉試驗、篩選、研製階段的可靠性增長試驗等。這些屬於加速試驗特性，可儘早暴露產品潛藏的薄弱環節，採取措施糾正之。
(3) 模擬壽命剖面的試驗，希望試驗得到的可靠性與使用中的可靠性相一致。然而模擬的條件與使用的真實條件總是有差異的。在多數情況下，用恆定應力條件作壽命試驗，效果不好。因此要設計綜合應力的循環周期的試驗剖面，使之比較接近使用條件。
l裝備可靠性評估
測定產品可靠性定量指標，提供各種信息，作出產品的可靠性評估，是管理工作所要求的。可靠性指標的點估計值和置信區間估計，是產、購雙方對產品壽命期費用決策的重要信息。可靠性指標的點估計值和置信區間估計的依據是試驗數據。試驗數據的具體處理方法在有關標準中規定。只憑試驗結果就對裝備的可靠性水平進行評估,信息量可能不夠，往往要結合製造和使用的其它信息進行綜合評價，才能使用戶放心。
1.2.4試驗管理
從研製生產到交付使用，要進行多項與可靠性有關的試驗。為了確保達到用戶提出的要求，遵守交付周期，節省資源，加強管理是十分必要的。試驗管理的目的是為了提高試驗成效、確保產品可靠性大綱的效果，管理的任務主要是制訂和落實試驗計劃，因此要多安排綜合試驗，常用的方法是組織、協調、督促。試驗管理工作要圍繞研製生產的產品確定試驗項目、明確在何時進行、由何部門組織哪些人參加和實施、採用何種試驗手段、試驗方案和計劃由誰制訂和批准，試驗情況的記錄和處置，試驗結果的處理等。
綜合的可靠性試驗計劃一般包括以下內容：
(1) 確定裝備的可靠性要求；
(2) 規定可靠性試驗的應力條件；
(3) 規定試驗進度計劃；
(4) 詳細的可靠性試驗方案；
(5) 試驗操作程序；
(6) 受試產品的說明和性能監測要求；
(7) 試驗設備和監測儀器；
(8) 試驗記錄和試驗數據的處理方法；
(9) 試驗報告的內容。
試驗管理除了計劃管理之外，還包括試驗費用的管理，為保證研製工作進度和避免追加費用，試驗工作的重點應放在工程試驗上。綜合了較多試驗內容的計劃，還應包括每項試驗的方案、決策風險、試驗條件、試驗程序、在壽命周期的計劃等。
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