Come identificare i guasti elettronici comuni

Un membro del team Ansys Reliability Engineering Services alla ricerca di un meccanismo di guasto al microscopio.

L'analisi dei guasti è il processo che identifica, e in genere tenta di mitigare, la causa principale di un errore. Nell'industria elettronica, l'analisi dei guasti comporta l'isolamento del guasto nella sua posizione su un circuito stampato (PCBA) prima di raccogliere dati più dettagliati per indagare su quale componente o posizione della scheda funziona in modo improprio.

L'elettronica in genere fallisce su un PCBA in uno dei tre punti:

1. All'interno di un componente
2. All'interconnessione tra un componente e una scheda (di solito giunti in saldatura)
3. All'interno del circuito stampato stesso

Guasti a livello componente

I guasti a livello di componente si riferiscono a guasti che si verificano all'interno di un componente elettronico saldato a una scheda a circuito stampato. Spesso, quando un guasto viene isolato su un componente elettronico specifico, è possibile utilizzare un'ulteriore caratterizzazione elettrica, come il tracciamento comparativo della curva, per isolare il guasto su un pin specifico. Questo è fondamentale quando l'errore si trova su un componente con un numero elevato di pin I/O. Di seguito vengono illustrate alcune delle più comuni tecniche di analisi dei guasti a livello di componente e di identificazione.

Rottura e distacco dei wire bond

I legami sono piccoli fili che collegano lo stampo di un circuito integrato ai suoi conduttori. Sono sottili e fragili e possono rompersi sotto stress meccanico. La tecnica di analisi dei guasti più comune utilizzata per identificare la rottura del wire bond è la microscopia a raggi X. Nella maggior parte dei casi, le immagini a raggi X della struttura interna di un circuito integrato sono sufficienti per confermare o eliminare la rottura del wire bond come meccanismo di guasto. La microscopia acustica può anche raccogliere dati quando la frattura del wire bond è un sospetto meccanismo di guasto. Poiché è in grado di identificare i vuoti d'aria all'interno di un campione, può scoprire prove di rottura dei popcorn, che possono danneggiare i wire bond.

Un meccanismo di guasto simile è il distacco dei fili, in cui la saldatura si rompe nella connessione intermetallica tra il filo e il die e si solleva dalla piazzola. Ciò si verifica generalmente a causa di problemi durante il processo di incollaggio. Diverse opzioni di analisi dei guasti possono identificare e determinare la causa principale del distacco del filo. In numerosi casi, il distacco del filo può essere identificato con la microscopia a raggi X; tuttavia, il sezionamento trasversale è in genere necessario per confermare. Una volta confermato il distacco del filo come meccanismo di fallimento, ulteriori analisi possono determinare il motivo per cui il legame si sta staccando. Le cause più comuni sono la contaminazione chimica sulle piazzole o sfere schiacciate o malformate a causa di una pressione errata durante il processo di incollaggio. Le sezioni trasversali di qualità consentiranno di misurare la dimensione e la forma del legame, insieme allo spessore della connessione intermetallica. In alcuni casi, potrebbe essere necessario estrarre o tagliare i legami dallo stampo per ispezionare la superficie del tampone. La microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) di una superficie del bond pad possono rivelare contaminazioni che potrebbero creare problemi di legame.

Delaminazione

La delaminazione all'interno di un componente si riferisce tipicamente alla separazione di un composto di stampaggio o dallo stampo o dal telaio principale di un circuito integrato. La delaminazione sulla superficie dello stampo crea il potenziale di ingresso di umidità che può portare a cortocircuiti attraverso lo stampo. La microscopia acustica è il metodo non distruttivo più spesso utilizzato per identificare la delaminazione all'interno di un componente. Quando è nota la posizione di una sospetta delaminazione, anche il sezionamento trasversale può confermarlo.

La Rottura del Condensatore

I condensatori multistrato da chip (MLCC) possono essere soggetti a formazione di cricche in caso di flessione meccanica o shock termico. La formazione di una cricca da flessione si verifica quando la scheda a cui è saldato il condensatore subisce un'eccessiva flessione, che può essere causata durante il depaneling, l'inserimento del connettore, il fissaggio o altri eventi meccanici. La rottura da shock termico si verifica quando la parte subisce un improvviso e drammatico aumento della temperatura, ad esempio a causa di una saldatura errata. In entrambi i casi, il cracking del condensatore può potenzialmente causare guasti ai componenti aumentando il rischio di un cortocircuito all'interno del corpo del condensatore, sia tra le piastre che tra le piastre e i terminali. I raggi X 3D e la microscopia acustica possono identificare la rottura del condensatore; tuttavia, l'analisi della sezione trasversale è spesso richiesta per confermare completamente. Anche il sezionamento trasversale e la microscopia ottica possono far luce sulla causa principale della rottura. Le cricche da flessione si manifestano tipicamente come cricche diagonali tra le regioni orizzontali e verticali dei terminali dei componenti, mentre le cricche da shock termico possono verificarsi in una varietà di morfologie.

Danno al die

Il danno da stampaggio può manifestarsi in diversi modi. Le sollecitazioni meccaniche o termo-meccaniche possono rompere fisicamente lo stampo, creando circuiti aperti all'interno del circuito integrato. Questo tipo di rottura dello stampo è in genere palese. Può essere confermata con la microscopia acustica, la microscopia a raggi X 3D e, in alcuni casi gravi, la microscopia a raggi X 2D. Una volta conosciuta la posizione di una crepa, è possibile utilizzare l'analisi della sezione trasversale per esaminare l'orientamento e la gravità del danno in modo più dettagliato.

La sovratensione elettrica o la scarica elettrostatica causano anche danni allo stampo di diversa gravità. Eventi elettrici estremi possono causare una carbonizzazione sufficiente per essere osservabile con la microscopia a raggi X; tuttavia, i danni elettrici allo stampo sono spesso molto più sottili. In questi casi, sono necessarie tecniche di ispezione degli stampi più specializzate. Un primo passo tipico, quando si sospetta un danneggiamento elettrico dello stampo di un circuito integrato, è la decapsulazione del componente. La decapsulazione acida può rimuovere il composto sovrastampato, esponendo la superficie dello stampo e i fili, che consente l'ispezione ottica. Se il danno si trova sulla superficie o in uno degli strati superiori della regione attiva, può essere osservato spesso con microscopia ottica o SEM dopo la decapsulazione. In caso di danni da sovratensione elettrostatica (EOS) o da scarica elettrostatica (ESD) più profondi o molto sottili, lo stampo deve essere esaminato con un dispositivo di interferenza quantistica superconduttore (SQUID), imaging termico sotto stress elettrico o altre tecniche specializzate per identificare l'esatta posizione del guasto.

Guasti a livello di interconnessione

I guasti a livello di interconnessione sono in genere dovuti a giunti di saldatura o conduttori rotti. La conoscenza delle condizioni ambientali di un insieme elettronico può aiutare a determinare la probabilità di un guasto a livello di interconnessione prima di iniziare un'analisi di guasto. Le tecniche di laboratorio utilizzate per identificare le forme più comuni di guasto di interconnessione componente/scheda sono discusse di seguito.

Affaticamento della saldatura

L'affaticamento della saldatura si verifica principalmente a causa del ciclo di temperatura per un tempo prolungato. Il principale motivo del cedimento della saldatura è il coefficiente di mancata corrispondenza di dilatazione termica tra un PCB e un corpo di piombo o componente. Questo effetto può essere accelerato da sollecitazioni di trazione dovute all'invasatura o alla deformazione dei componenti, vibrazioni eccessive o aumento delle dimensioni del componente. In molti casi, l'ispezione ottica o la microscopia a raggi X possono identificare tali guasti; tuttavia, il sezionamento trasversale di un giunto è il metodo più affidabile per confermare un guasto da cedimento. Una sezione trasversale di qualità dei giunti di saldatura può essere esaminata per prove di fessurazioni o di crescita del grano cristallino/ingrossamento di fase associati a continue sollecitazioni sulla saldatura. Quando il sezionamento trasversale non è pratico, come quando il giunto difettoso su un BGA con molti perni è sconosciuto, le tecniche di dye-and-pry possono identificare la rottura del giunto di saldatura.

Sovraccarico della saldatura

La sollecitazione eccessiva della saldatura si verifica quando un singolo evento meccanico, come una caduta, provoca una frattura del giunto di saldatura. La microscopia ottica e il sezionamento trasversale identificano le fratture da stress eccessivo. In genere, i giunti di saldatura incrinati causati da sollecitazioni meccaniche avranno spazi molto più ampi rispetto a quelli causati dal cedimento della saldatura.

Lead Fracture

La frattura del piombo è un meccanismo di guasto che si verifica quando il giunto di saldatura di un componente rimane intatto, ma il piombo metallico stesso si rompe tra la scheda e il corpo di un componente. La frattura del piombo è prevalente su condensatori elettrolitici di grandi dimensioni e componenti con conduttori ad ala di gabbiano sottili che subiscono vibrazioni e urti eccessivi. La microscopia ottica identifica la frattura del piombo e i test meccanici possono essere utilizzati per valutare il rischio di frattura del piombo in un assemblaggio elettronico.

Guasti a livello di scheda

I guasti a livello di scheda si manifestano sopra o all'interno del circuito stampato stesso. Possono apparire come cortocircuiti o circuiti aperti e, a seconda della complessità delle reti elettriche e dello stack-up della scheda, possono essere molto più difficili da individuare rispetto ai guasti a livello di componente o interconnessione.

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Perdita di corrente indotta da contaminazione

Cortocircuiti tra i conduttori dei componenti o le tracce esposte possono verificarsi su una superficie della scheda in ambienti umidi quando la scheda non ha una pulizia adeguata. Nei casi più gravi, questi cortometraggi possono essere confermati con microscopia ottica o SEM/EDS. L'analisi della contaminazione ionica può essere utilizzata anche come tecnica di qualificazione della scheda per determinare se i livelli di contaminazione sulla superficie del pannello sono inferiori ai minimi standard del settore.

Guasto Filamento Anodico Conduttivo

Il filamento anodico conduttivo (CAF) si verifica quando il metallo migra lungo le fibre all'interno degli strati laminati di un PCB. Il CAF in genere crea guasti quando si verifica tra due fori passanti placcati ravvicinati (PTH). I guasti CAF sono in genere causati da danni eccessivi alla punta o da uno scarso legame vetro/resina e possono essere esacerbati da ambienti umidi. Il test di polarizzazione di temperatura/umidità può determinare il rischio CAF di un assemblaggio elettronico prima dell'uso sul campo. Quando è previsto un guasto CAF, i test elettrici vengono generalmente utilizzati per determinare la coppia o le coppie interessate. L'analisi in sezione trasversale e la microscopia ottica devono quindi confermare la presenza di CAF e determinare la causa principale della migrazione del metallo. Quando la causa principale è il danno da trapano, si noteranno grosse crepe attorno ai bordi dei fori passanti. In caso di scarsa adesione vetro/resina, si possono osservare tubi cavi o vuoti all'interno della trama del vetro in uno o più strati laminati. SEM/EDS può anche confermare che il filamento osservato è di natura metallica.

Cedimento del Foro Passante Placcato

Il cedimento del PTH si manifesta tipicamente in una delle due forme: fessurazione del barile, quando la placcatura sul foro passante si frattura; e fessurazione delle tracce, quando la connessione tra una boccola PTH e una traccia normalmente attaccata si rompe. Il cedimento PTH è spesso il risultato del ciclo termico, poiché l'espansione del materiale laminato nella direzione fuori-piano trasferisce le sollecitazioni al PTH. La microscopia a raggi X 3D e, nei casi più gravi, 2D può essere utilizzata per identificare le fratture del PTH; tuttavia, poiché il cracking del PTH è spesso molto sottile, l'analisi della sezione trasversale e la microscopia a raggi X vengono generalmente utilizzate per confermare.

Pad Cratering e Trace Fracture

Il pad cratering e la trace fracture sono guasti associati a eventi di sovraccarico, come cadute e altri shock. Il pad cratering è un guasto che si verifica principalmente sotto i giunti di saldatura BGA. Si verifica quando le sollecitazioni meccaniche fanno sì che il pad inizi a strapparsi dalla tavola, creando una struttura a fessura a forma di cratere nello strato laminato sotto il cuscinetto a sfera. Raggi X 3D, analisi dye-and-pry, analisi della sezione trasversale o, in casi molto gravi, una semplice ispezione ottica, sono utilizzati per identificare la presenza di pad cratering sotto pad BGA.

I pad crater sono spesso accompagnati da fratture in tracce. Le trace fracture si verificano quando una traccia sottile si rompe nell'interfaccia di dove si concentra la tensione tra il routing e il cuscinetto a sfera. Le trace fracture possono anche apparire indipendenti dal pad cratering in altre regioni del circuito stampato, tipicamente a una concentrazione di tensione, come quando una sottile regione di instradamento gira ad angolo o si collega a un grande pad di saldatura. Le trace fracture possono essere molto difficili da localizzare. Una conoscenza approfondita delle reti elettriche all'interno del PCBA e un'idea generale dei carichi meccanici applicati al PCBA sono necessari per formulare anche ipotesi sulla posizione quando una trace fracture è il sospetto meccanismo di guasto. La microscopia a raggi X può confermare la presenza di una trace fracture nella maggior parte dei casi, ma spesso è un'attività che richiede molto tempo in quanto può aver bisogno di una scansione approfondita della rete di interesse ad alto ingrandimento.

Complicazioni nella progettazione e nello sviluppo

Alcune scelte di progettazione del prodotto possono rendere estremamente difficile l'isolamento dai guasti. L'invasatura, il telaio e il fissaggio possono oscurare visivamente e inibire fisicamente l'accesso alle regioni dell'insieme, impedendo la caratterizzazione elettrica o l'ispezione ottica. Gli assemblaggi con grandi quantità di metallo possono ostacolare l'utilità dei raggi X nascondendo l'area di interesse. Gli assemblaggi contenenti materiali sia molto duri che molto morbidi (ad esempio ossido di alluminio e saldatura) possono rendere difficile il sezionamento trasversale di qualità. In questi e in altri casi unici, la conoscenza dell'ambiente, delle proprietà PCBA e dei tipi di componenti elettronici deve essere utilizzata per sviluppare teorie su quali componenti, giunti di saldatura o regioni della scheda potrebbero non funzionare e potrebbero essere necessarie tecniche creative per confermare adeguatamente la causa principale del guasto.

Ansys offre un approccio multidisciplinare ai nostri servizi di analisi delle cause profonde che sono efficaci nell'identificare l'origine di un problema, se si è verificato sul campo, durante un test o ha comportato una perdita di qualità durante la produzione. Visita la pagina Reliability Engineering Services del nostro sito Web per richiedere un preventivo e saperne di più.