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ANSYS BLOG

September 20, 2021

So erkennen Sie häufige elektronische Fehler

Ein Kollege aus dem Team Reliability Engineering Services sucht unter dem Mikroskop nach einem Fehlermechanismus.

Unter Fehleranalyse versteht man den Prozess der Identifizierung der Grundursache eines Fehlers und den Versuch, diese zu beseitigen. In der Elektronikindustrie beinhaltet die Fehleranalyse die Eingrenzung des Fehlers auf eine Stelle auf einer Leiterplattenbaugruppe (PCBA), bevor detailliertere Daten gesammelt werden, um zu untersuchen, welche Komponente oder Leiterplattenstelle nicht ordnungsgemäß funktioniert.

Elektronik fällt auf einer PCBA in der Regel an einer von drei Stellen aus:

  1. Innerhalb einer Komponente
  2. An der Verbindungsstelle zwischen einem Bauteil und der Platine (normalerweise Lötstellen)
  3. Innerhalb der Leiterplatte selbst

Ausfälle auf Komponentenebene

Fehler auf Komponentenebene beziehen sich auf Fehler, die innerhalb einer elektronischen Komponente auftreten, die auf eine Leiterplatte gelötet ist. Wenn ein Fehler auf ein bestimmtes elektronisches Bauteil beschränkt ist, kann oft eine weitere elektrische Charakterisierung - z. B. eine vergleichende Kurvenverfolgung - verwendet werden, um den Fehler auf einen bestimmten Pin zu beschränken. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn sich der Fehler auf einer Komponente mit einer großen Anzahl von E/A-Pins befindet. Im Folgenden werden einige der häufigsten Fehler auf Komponentenebene und Fehleranalysetechniken erörtert, die zur Identifizierung verwendet werden.

Brechen von Drahtbindungen und Liftoff

Drahtbonds sind kleine Drähte, die den Chip eines integrierten Schaltkreises mit seinen Anschlüssen verbinden. Sie sind dünn und zerbrechlich und können bei mechanischer Beanspruchung brechen. Die gebräuchlichste Methode zur Fehleranalyse, um einen Bruch von Drahtbonds festzustellen, ist die Röntgenmikroskopie. In den meisten Fällen reichen Röntgenbilder der inneren Struktur eines integrierten Schaltkreises aus, um einen Drahtbondbruch als Fehlerursache zu bestätigen oder auszuschließen. Die Akustikmikroskopie kann ebenfalls Daten sammeln, wenn ein Drahtbondbruch als Fehlerursache vermutet wird. Da sie Luftspalten innerhalb einer Probe identifizieren kann, kann sie Hinweise auf Risse entdecken, die Drahtbonds beschädigen können.

Ein ähnlicher Fehlermechanismus ist das Abheben des Drahtbonds, bei dem der Kugelbond an der intermetallischen Verbindung zwischen dem Draht und der Matrize bricht und sich vom Bondpad abhebt. Dies geschieht im Allgemeinen aufgrund von Problemen während des Bondprozesses. Mit Hilfe verschiedener Fehleranalysen kann die Ursache des Drahtbond-Liftoffs identifiziert und bestimmt werden. In schwerwiegenden Fällen kann das Abheben des Drahtbonds mit Hilfe der Röntgenmikroskopie festgestellt werden; zur Bestätigung ist jedoch in der Regel ein Querschnitt erforderlich. Sobald das Ablösen der Bindung als Fehlermechanismus bestätigt ist, kann durch weitere Analysen festgestellt werden, warum sich die Bindung ablöst. Die häufigsten Ursachen sind chemische Verunreinigungen auf den Bondpads oder schlecht geformte, zerquetschte Kugeln aufgrund eines falschen Drucks während des Bondprozesses. Anhand von Qualitätsquerschnitten lassen sich die Größe und Form der Bindung sowie die Dicke der intermetallischen Verbindung messen. In einigen Fällen kann es notwendig sein, die Bonds von der Matrize abzuziehen oder abzuscheren, um die Pad-Oberfläche zu untersuchen. Die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) einer Bondpad-Oberfläche können Verunreinigungen aufdecken, die zu Problemen bei der Bindung führen könnten.

Delamination

Unter Delamination innerhalb eines Bauteils versteht man in der Regel die Ablösung einer Formmasse vom Chip oder vom Leadframe einer integrierten Schaltung. Delaminationen auf der Chipoberfläche können das Eindringen von Feuchtigkeit begünstigen, was zu Kurzschlüssen auf dem Chip führen kann. Die Akustikmikroskopie ist die am häufigsten verwendete zerstörungsfreie Methode, um Delaminationen innerhalb eines Bauteils zu erkennen. Wenn die Stelle einer vermuteten Delamination bekannt ist, kann sie auch durch einen Querschnitt bestätigt werden.

Rissbildung bei Kondensatoren

Multilayer-Chipkondensatoren (MLCCs) können bei mechanischer Biegung oder thermischen Schocks Risse erleiden. Biegerisse treten auf, wenn sich die Platine, auf die der Kondensator gelötet ist, übermäßig verbiegt, z. B. beim Heraustrennen, Einstecken von Steckern, Befestigen oder anderen mechanischen Vorgängen. Thermoschockrisse entstehen, wenn das Bauteil einem plötzlichen, drastischen Temperaturanstieg ausgesetzt ist, z. B. durch unsachgemäßes Löten. In beiden Fällen können Kondensatorrisse zu Bauteilausfällen führen, da sie das Risiko eines Kurzschlusses im Kondensatorgehäuse erhöhen, entweder zwischen den Platten oder zwischen den Platten und den Anschlüssen. Mit 3D-Röntgen- und Akustikmikroskopie können Kondensatorrisse erkannt werden; zur vollständigen Bestätigung ist jedoch oft eine Querschnittsanalyse erforderlich. Querschnittsuntersuchungen und optische Mikroskopie können auch Aufschluss über die Ursache der Risse geben. Biegerisse treten typischerweise als diagonale Risse zwischen den horizontalen und vertikalen Bereichen der Bauteilanschlüsse auf, während Thermoschockrisse in einer Vielzahl von Morphologien auftreten können.

Die Damage

Die Beschädigung eines Chips kann auf verschiedene Weise erfolgen. Mechanische oder thermomechanische Überbeanspruchung kann zu physischen Rissen im Chip führen, wodurch offene Schaltkreise im integrierten Schaltkreis entstehen. Diese Art von Die-Rissen ist in der Regel schwerwiegend. Sie kann mit akustischer Mikroskopie, 3D-Röntgenmikroskopie und in einigen schweren Fällen mit 2D-Röntgenmikroskopie nachgewiesen werden. Sobald der Ort eines Die-Risses bekannt ist, kann eine Querschnittsanalyse verwendet werden, um die Ausrichtung und den Schweregrad des Schadens genauer zu untersuchen.

Diagramm eines Ball Grid Arrays (BGA). Ingenieur*innen können die digitale Bildkorrelation (DIC) verwenden, um die thermische Ausdehnung oder den Verzug aufgrund thermomechanischer Belastungen zu bestimmen.

Elektrische Überbeanspruchung oder elektrostatische Entladungen führen ebenfalls zu unterschiedlich starken Schäden an den Werkzeugen. Extreme elektrische Ereignisse können eine so starke Verkohlung verursachen, dass sie mit der Röntgenmikroskopie beobachtet werden können; elektrische Schäden sind jedoch oft viel subtiler. In diesen Fällen sind spezialisiertere Prüfverfahren erforderlich. Ein typischer erster Schritt bei Verdacht auf einen elektrischen Die-Schaden an einem integrierten Schaltkreis ist die Entkapselung des Bauteils. Durch die saure Entkapselung kann die Overmold-Masse entfernt werden, wodurch die Chipoberfläche und die Drahtbindungen freigelegt werden, was eine optische Inspektion ermöglicht. Befindet sich der Schaden auf der Oberfläche oder in einer der oberen Schichten des aktiven Bereichs, kann er nach der Entkapselung oft mit dem Lichtmikroskop oder dem REM beobachtet werden. Bei tieferen oder sehr subtilen Schäden durch elektrostatische Überlastung (EOS) oder elektrostatische Entladung (ESD) muss der Chip mit einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät (SQUID), thermischer Bildgebung unter elektrischer Belastung oder anderen speziellen Techniken untersucht werden, um die genaue Fehlerstelle zu ermitteln.

Ausfälle auf der Verbindungsebene

Ausfälle auf der Verbindungsebene sind in der Regel auf gebrochene Lötstellen oder Leitungen zurückzuführen. Die Kenntnis der Umgebungsbedingungen einer elektronischen Baugruppe kann helfen, die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers auf der Verbindungsebene zu bestimmen, bevor eine Fehleranalyse durchgeführt wird. Im Folgenden werden die Labortechniken erläutert, die zur Identifizierung der häufigsten Formen von Bauteil-/Leiterplattenausfällen eingesetzt werden.

Lötermüdung

Die Ermüdung von Lötzinn ist in erster Linie auf Temperaturschwankungen über einen längeren Zeitraum zurückzuführen. Die Hauptursache für die Ermüdung des Lötmittels ist die Abweichung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen einer Leiterplatte und einem Leiter oder Bauteilkörper. Dieser Effekt kann durch Zugspannungen aufgrund von Verguss oder Bauteilverzug, übermäßige Vibrationen oder eine Vergrößerung des Bauteils beschleunigt werden. In vielen Fällen können solche Fehler durch optische Inspektion oder Röntgenmikroskopie erkannt werden; die zuverlässigste Methode zur Bestätigung eines Ermüdungsfehlers ist jedoch der Querschnitt einer Verbindung. Ein Qualitätsquerschnitt von Lötstellen kann auf Anzeichen von Rissen oder Kornwachstum/Phasenvergröberung untersucht werden, die mit der kontinuierlichen Beanspruchung des Lots einhergehen. Wenn ein Querschnitt nicht praktikabel ist, z. B. wenn die fehlerhafte Lötstelle an einem BGA mit vielen Pins nicht bekannt ist, können Risse in der Lötstelle mit Hilfe von Färbe- und Hebetechniken festgestellt werden.

Klassische Darstellung der Lötermüdung

Lötmittelüberlastung

Eine Überbeanspruchung des Lötzinns liegt vor, wenn ein einzelnes mechanisches Ereignis, z. B. ein Tropfen, zu einer gebrochenen Lötstelle führt. Optische Mikroskopie und Querschnittuntersuchungen identifizieren Überlastungsbrüche. Typischerweise haben gerissene Lötstellen, die durch mechanische Überbeanspruchung entstanden sind, viel größere Lücken als solche, die durch Ermüdung des Lots verursacht wurden.

Bleifraktur

Leitungsbruch ist ein Fehlermechanismus, der auftritt, wenn die Lötstelle eines Bauteils intakt bleibt, aber die Metallleitung selbst zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse eines Bauteils bricht. Bleibruch tritt vor allem bei großen Elektrolytkondensatoren und Komponenten mit dünnen Flügellitzen auf, die starken Vibrationen und Stößen ausgesetzt sind. Mit Hilfe der optischen Mikroskopie kann ein Leitungsbruch erkannt werden, und mit Hilfe mechanischer Tests lässt sich das Risiko eines Leitungsbruchs in einer elektronischen Baugruppe beurteilen.

Leiterplattenfehler

Fehler auf Leiterplattenebene treten auf oder innerhalb der Leiterplatte selbst auf. Sie können als Kurzschluss oder Unterbrechung auftreten und sind je nach Komplexität des elektrischen Aufbaus und der Zusammensetzung der Leiterplatte viel schwieriger zu lokalisieren als Fehler auf Komponenten- oder Verbindungsebene.

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Verschmutzungsbedingte Stromverluste

Kurzschlüsse zwischen Bauteilanschlüssen oder freiliegenden Leiterbahnen können auf der Oberfläche einer Leiterplatte in feuchten Umgebungen auftreten, wenn die Leiterplatte nicht ausreichend sauber ist. In schweren Fällen können diese Kurzschlüsse mit optischer Mikroskopie oder SEM/EDS bestätigt werden. Die Analyse der Ionenverschmutzung kann auch als Qualifizierungsverfahren für Leiterplatten eingesetzt werden, um festzustellen, ob die Verschmutzung der Leiterplattenoberfläche unter den branchenüblichen Mindestwerten liegt.

Fehler von leitfähigen anodischen Fasern

Leitfähige anodische Fasern (Conductive anodic filament (CAF)) treten auf, wenn Metall entlang der Fasern innerhalb der Laminatschichten einer Leiterplatte wandert. CAF führt typischerweise zu Fehlern, wenn es zwischen zwei eng beieinander liegenden Durchkontaktierungen (PTH) auftritt. CAF-Fehler entstehen in der Regel durch übermäßige Bohrschäden oder schlechte Glas-/Harzverbindungen und können durch feuchte Umgebungen noch verschlimmert werden. Mit Hilfe von Temperatur-/Feuchtigkeitstests kann das CAF-Risiko einer elektronischen Baugruppe vor dem Einsatz vor Ort ermittelt werden. Wenn ein CAF-Fehler zu erwarten sind, wird in der Regel eine elektrische Prüfung durchgeführt, um die betroffenen Durchgangspaare zu bestimmen. Eine Querschnittsanalyse und optische Mikroskopie müssen dann das Vorhandensein von CAF bestätigen und die Ursache der Metallmigration bestimmen. Handelt es sich bei der Ursache um einen Bohrschaden, sind große Risse an den Rändern der Durchgangslöcher zu erkennen. Im Falle einer mangelhaften Glas/Harz-Verbindung können hohle Röhren oder Hohlräume innerhalb des Glasgewebes in einer oder mehreren Schichten des Laminats beobachtet werden. SEM/EDS kann auch bestätigen, dass das beobachtete Filament metallischer Natur ist.

Beschichtete Durchgangslöcher Ermüdung

PTH-Ermüdung äußert sich in der Regel in einer von zwei Formen: Rissbildung in der Hülse, wenn die Beschichtung der Durchgangsbohrung selbst bricht, und Rissbildung in der Leiterbahn, wenn die Verbindung zwischen einer PTH-Hülse und einer normal befestigten Leiterbahn bricht. Die Ermüdung von PTH ist meist das Ergebnis von Temperaturwechseln, da die Ausdehnung des Laminatmaterials in Richtung außerhalb der Ebene Spannungen auf das PTH überträgt. 3D- und in schweren Fällen 2D-Röntgenmikroskopie können zur Identifizierung von PTH-Brüchen verwendet werden. Da PTH-Risse jedoch oft sehr dünn sind, werden Querschnittsanalysen und Röntgenmikroskopie üblicherweise zur Bestätigung verwendet.

Pad Cratering und Trace Fracture

Pad Cratering und Trace Fracture sind Ausfälle, die mit Überlastungsereignissen wie Stürzen und anderen Erschütterungen einhergehen. Pad Cratering ist ein Versagen, das hauptsächlich unter BGA-Lötstellen auftritt. Es tritt auf, wenn mechanische Spannungen dazu führen, dass das Pad von der Leiterplatte abreißt und eine kraterförmige Rissstruktur in der Laminatschicht unter dem Ballpad entsteht. 3D-Röntgenaufnahmen, Dye-and-Pry-Analysen, Querschnittsanalysen oder, in sehr schweren Fällen, einfache optische Inspektionen können verwendet werden, um das Vorhandensein von Pad Cratering unter BGA-Pads zu erkennen.

Pad Crater werden oft von Trace Fractures begleitet. Leiterbahnbrüche treten auf, wenn eine dünne Leiterbahn an der spannungskonzentrierenden Schnittstelle zwischen der Leiterbahn und dem Ballpad bricht. Leiterbahnbrüche können auch unabhängig von Pad-Kratern in anderen Bereichen der Leiterplatte auftreten, typischerweise an einer Spannungskonzentration, z. B. wenn ein dünner Bereich der Leiterbahn in einem Winkel abbiegt oder mit einem großen Lötpad verbunden ist. Leiterbahnbrüche können sehr schwer zu lokalisieren sein. Gründliche Kenntnisse der elektrischen Netzwerke innerhalb der Leiterplatte sowie eine allgemeine Vorstellung von den mechanischen Belastungen, die auf die Leiterplatte einwirken, sind erforderlich, um auch nur Hypothesen über den Ort zu formulieren, wenn ein Leiterbahnbruch der vermutete Ausfallmechanismus ist. Die Röntgenmikroskopie kann das Vorhandensein eines Spurenbruchs in den meisten Fällen bestätigen, ist aber oft zeitaufwändig, da sie eine gründliche Durchleuchtung des betreffenden Netzwerks bei starker Vergrößerung erfordert.

Produktdesign und -entwicklung Komplikationen

Bestimmte Entscheidungen beim Produktdesign können die Fehlereingrenzung extrem erschweren. Verguss, Gehäuse und Befestigungen können den Zugang zu Bereichen der Baugruppe optisch verdecken und physisch behindern, was eine elektrische Charakterisierung oder optische Inspektion verhindert. Baugruppen mit großen Metallanteilen können die Nützlichkeit von Röntgenstrahlen beeinträchtigen, da sie den interessierenden Bereich verdecken. Baugruppen, die sowohl sehr harte als auch sehr weiche Materialien enthalten (z. B. Aluminiumoxid und Lötzinn), können eine hochwertige Querschnittsprüfung erschweren. In diesen und anderen besonderen Fällen müssen Kenntnisse über die Umgebung, die Eigenschaften der PCBA und die Art der elektronischen Komponenten genutzt werden, um Theorien darüber zu entwickeln, welche Komponenten, Lötstellen oder Leiterplattenbereiche ausfallen könnten, und möglicherweise müssen kreative Techniken eingesetzt werden, um die Fehlerursache angemessen zu bestätigen.

Ansys bietet einen multidisziplinären Ansatz für unsere Dienstleistungen zur Ursachenanalyse, mit dem sich die Ursache eines Problems effektiv ermitteln lässt. Unabhängig davon, ob der Fehler im Feld, bei einem Test oder durch einen Qualitätsverlust während der Fertigung entstanden ist. Besuchen Sie die Seite Reliability Engineering Services auf unserer Website, um ein Angebot anzufordern und mehr zu erfahren. 

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