공통 전자 실패 식별 방법

현미경으로 장애 메커니즘을 찾고 있는 Ansys 신뢰성 엔지니어링 서비스 팀의 구성원입니다.

장애 분석은 실패의 근본 원인을 식별하고 일반적으로 완화하려고 시도하는 프로세스입니다. 전자 공학 산업에서, 장애 분석은 어떤 구성요소 또는 보드 위치가 부적절하게 기능하고 있는지를 조사하기 위해 더 자세한 데이터를 수집하기 전에 PCBA (인쇄회로기판 어셈블리) 상의 위치에 장애를 분리하는 것을 포함합니다.

일반적으로 세 위치 중 하나에서 PCBA에서 실패합니다.

1. 구성요소 내
2. 구성요소와 보드 (일반적으로 솔더 조인트) 사이의 상호 연결
3. 인쇄 회로 보드 자체

컴포넌트 레벨 실패

구성요소 레벨 실패는 인쇄 회로 보드에 납땜되는 전자 구성요소 내에서 발생하는 실패를 초래합니다. 종종, 고장이 특정 전자 부품에 분리되는 경우, 비교 곡선 트레이싱 (비교예) 과 같은 추가적인 전기 특징화 (electrical characterization) 가 특정 핀에 대한 고장을 격리시키기 위해 사용될 수 있습니다. 이는 많은 수의 입출력 핀이 있는 구성요소에 장애가 있는 경우 매우 중요합니다. 이들을 식별하는 데 사용되는 가장 일반적인 구성요소 레벨 실패 및 실패 분석 기술 중 일부는 아래에 설명되어 있습니다.

본드 브레이킹 및 Liftoff 와이어

와이어 본드는 집적 회로의 다이를 리드에 연결하는 작은 와이어입니다. 얇고 깨지기 쉬우며 기계적 스트레스를 받으면 파손될 수 있습니다. 와이어 본드 파손을 식별하는 데 사용되는 가장 일반적인 고장 분석 기술은 X선 현미경입니다. 대부분의 경우 집적 회로의 내부 구조에 대한 X선 이미지는 와이어 본드 파손을 실패 메커니즘으로 확인하거나 제거하기에 충분합니다. 음향 현미경은 와이어 본드 파손이 의심되는 고장 메커니즘인 경우에도 데이터를 수집할 수 있습니다. 시편 내 에어 갭을 식별할 수 있기 때문에 와이어 본드를 손상시킬 수 있는 팝콘 균열의 증거를 발견할 수 있습니다.

유사한 실패 메커니즘은 와이어 본드 발사 (wire bond liftoff) 이고, 여기서 볼 본딩은 와이어와 다이 사이의 금속간 연결 (intermetallic connection) 에서 깨지고, 본드 패드를 들어올립니다. 이는 일반적으로 접합 공정 중의 문제로 인해 발생합니다. 몇 가지 실패 분석 옵션은 연결 결합 해제의 근본 원인을 식별하고 판별할 수 있습니다. 심각한 경우, 와이어 본드 발사는 X-선 현미경법으로 식별될 수 있지만, 교차 절편화는 통상적으로 확인을 위해 요구됩니다. 결합 해제가 실패 메카니즘으로 확인되면, 추가 분석은 결합이 해제되는 이유를 결정할 수 있습니다. 가장 일반적인 원인은 결합 공정 동안의 부정확한 압력에 기인하여, 본드 패드 상의 화학적 오염 또는 불량하게 형성된 으깬 볼 (mashed ball) 입니다. 품질 횡단면은 금속간 연결부의 두께와 함께, 결합의 크기 및 형상이 측정될 수 있게 할 것입니다. 몇몇 경우에, 패드 표면을 검사하기 위해 다이의 결합을 제거하거나 전단하는 것이 필요할 수 있습니다. 본드 패드 표면의 주사 전자 현미경 (SEM) 및 에너지 분산 X-선 분광법 (EDS) 은 결합 문제를 일으킬 수 있는 오염을 드러낼 수 있다.

Delamination

구성 요소 내 박리란 일반적으로 몰딩 화합물을 집적 회로의 다이 또는 리드 프레임에서 분리하는 것을 말합니다.다이스 표면의 박리 현상은 수분 침투 가능성을 발생시켜 다이스 전체에 단락을 초래할 수 있습니다. 음향 현미경법 (Acoustic microscopy) 은 성분 내 박리를 확인하기 위해 가장 흔히 사용되는 비파괴 방법입니다.박리된 것으로 의심되는 위치가 알려지면 교차 부분에서도 확인할 수 있습니다.

캐패시터 크래킹

(Multi-layer chip capacitor) 는 기계적 굴곡 또는 열 충격을 받는 경향이 있을 수 있습니다. 플렉스 크랙킹은 커패시터가 납땜되는 보드가 과도한 벤딩 (bending) 을 경험할 때 발생하며, 이는 디헐링 (depaneling), 커넥터 삽입 (connector insertion), 고정 (fixturing), 또는 다른 기계적인 이벤트 (mechanical event) 들 동안 야기될 수 있다. 열 충격 크랙킹은 부품이 부적절한 납땜과 같은 갑작스런 급격한 온도 증가를 경험할 때 발생한다. 어느 경우든, 커패시터 크래킹은 플레이트들 사이 또는 플레이트들과 단자들 사이에서, 커패시터 몸체 내의 단락 회로의 위험을 증가시킴으로써 잠재적으로 컴포넌트 고장을 야기할 수 있다. 3차원 X선 및 음향 현미경은 커패시터 균열을 식별할 수 있지만, 종종 완전히 확인하기 위해서는 단면 분석이 요구된다. 교차 및 광학 현미경은 또한 균열의 근본 원인을 조명할 수 있다. 일반적으로 Flex 크랙은 구성요소 터미널의 수평 영역과 수직 영역 사이의 대각선 균열로 나타납니다. 열 충격 크랙은 다양한 형태로 발생할 수 있습니다.

Die Damage

Die 손상은 여러 가지 방법으로 나타날 수 있습니다. 기계적 또는 열,기계적 과응력은 물리적으로 다이를 크랙 (crack) 하여, 집적 회로 내에 개방 회로를 생성할 수 있습다. 이러한 유형의 다이 균열은 일반적으로 끔찍합니다. 음향 현미경, 3D X선 현미경, 그리고 몇몇 심각한 경우 2D X선 현미경검사로 확인할 수 있습니다. 일단 다이 크랙의 위치가 알려지면, 단면 분석을 사용하여 손상의 방향 및 심각도를 자세히 조사할 수 있습니다.

전기적 과응력 또는 정전기 방전은 또한 다양한 심각도의 다이 손상을 야기합니다. 극단적인 전기 이벤트는 X선 현미경법으로 충분한 탄화를 관찰할 수 있습니다. 그러나, 전기 다이 손상은 종종 훨씬 더 미묘합니다. 이러한 경우에, 더 특수화된 다이 검사 기술이 필요하다. 집적 회로의 전기 다이 손상이 의심되는 전형적인 제1단계는 부품의 캡슐화 (decapsulation) 이다. 산 탈캡슐레이션은 오버몰드 화합물을 제거하여, 광학 검사를 가능하게 하는, 다이 표면 및 와이어 결합을 노출시킬 수 있다. 손상이 활성 영역의 상부 층 중 하나 또는 표면 상에 있는 경우, 이는 종종 캡슐화 후 광학 현미경 또는 SEM 으로 관찰될 수 있다. 더 깊거나 매우 미묘한 정전기적 과스트레스 (EOS) 또는 정전기 방전 (ESD) 손상의 경우, 초전도 양자 간섭 장치 (SQUID), 전기적 스트레스 하의 열 이미징 또는 정확한 고장 위치를 식별하기 위한 기타 특수 기술로 다이를 검사해야 합니다.

상호 연결 레벨 실패

상호 연결 레벨 장애는 일반적으로 납땜 이음기 또는 리드를 파손하는 것입니다. 전자 어셈블리의 환경 조건에 대한 지식은 장애 분석을 시작하기 전에 상호 연결 레벨 실패의 가능성을 판별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 가장 일반적인 형태의 구성요소/보드 상호 연결 실패를 식별하는 데 사용되는 실험실 기술은 아래에 설명되어 있습니다.

Solder Fatigue

보다 오래된 피로는 주로 연장된 시간에 걸쳐 온도 순환으로 인해 발생합니다. 납땜 피로의 주요 요인은 PCB와 리드 또는 부품 본체 사이의 열팽창 계수 불일치입니다. 이러한 효과는 포팅 (potting) 또는 구성요소 휨 (component warpage), 과도한 진동, 또는 부품의 크기를 증가시키는 인장 응력에 의해 가속화될 수 있다. 많은 경우에, 광학 검사 또는 X-선 현미경 검사는 이러한 고장을 식별할 수 있지만, 관절을 교차하는 것은 피로 실패를 확인하기 위한 가장 신뢰할 수 있는 방법이다. 솔더 접합부의 품질 횡단면은 납땜에 대한 지속적인 응력과 관련된 크래킹 (cracking) 또는 그레인 (grain) 성장/위상 코비 (coarsening) 의 증거를 위해 조사될 수 있다. 여러 개의 핀이 있는 BGA상의 실패한 조인트가 알려져 있지 않을 때와 같이 교차 절편화가 비실용적이면, 염색 및 건조 기술은 솔더 조인트 크래킹 (solder joint cracking) 을 식별할 수 있습니다.

구형 오버스트레스

급격한 과응력은 한 방울의 기계적인 이벤트가 골절된 솔더 접합부를 형성하는 경우에 발생합니다. 광학 현미경 및 교차 절편화는 과도-응력 골절을 식별한다. 일반적으로, 기계적 과응력에 의해 야기되는 크랙킹된 납땜 이음매는 납땜 피로에 의해 야기되는 것보다 훨씬 큰 간격을 가질 것입니다.

리드 프레임

리드 골절은 구성요소의 솔더 조인트가 손상되지 않은 상태로 있을 때 발생하는 장애 메커니즘이지만, 금속 리드 자체는 구성요소의 보드와 본체 사이에 분리됩니다. 납 골절은 대부분의 전해질 축전기에 가장 우세하며, 얇은 갈매기가 있는 부품은 과도한 진동 및 충격을 경험한다. 광학 현미경은 리드 골절을 식별하고, 전자 어셈블리에서 리드 골절의 위험을 평가하기 위해 기계적 테스트를 사용할 수 있습니다.

보드 레벨 실패

인쇄 회로 보드 자체 또는 내부에 있는 보드 레벨 장애 정의 파일입니다. 이들은 짧거나 열린 회로로 표시될 수 있으며, 보드의 전기 네트워크 및 적층체의 복잡도에 따라 구성요소 또는 상호 연결 레벨 장애보다 훨씬 더 쉽게 찾을 수 있습니다.

자세한 내용을 확인하려면 6단계를 성공적인 보드 레벨 신뢰성 테스트 백서로 읽어 보십시오.

오염-감소된 현재 누출

구성요소 리드 또는 노출된 트레이스 사이의 짧은 회로는 보드가 충분한 청결을 하지 않을 때 습한 환경의 보드 표면에서 발생할 수 있습니다. 심각한 경우, 이러한 반바지는 광학 현미경 또는 세M/EDS 로 확인할 수 있습니다. 또한 Ion 오염 분석을 보드 자격 기술로 사용하여 보드 표면의 오염 수준이 산업 표준 최소 수준 미만인지 여부를 판별할 수 있습니다.

전도성 애노드 필라멘트 장애

전도성 양극 필라멘트 (CAF) 는 금속이 PCB의 라미네이트 층 내에서 섬유를 따라 이동할 때 발생합니다. CAF는 통상적으로 2개의 밀접하게 이격된 도금된 홀들 (PTH) 사이에서 발생할 때 고장들을 생성합니다. CAF 실패는 전형적으로 과도한 드릴 손상 또는 불량한 유리/수지 결합의 결과로서 생성되고, 습한 환경에 의해 악화될 수 있습니다. 온도/습도 바이어스 시험은 현장 사용 전에 전자 조립체의 CAF 위험을 결정할 수 있습니다. CAF 실패가 예상되는 경우, 전기적 테스트는 전형적으로 한 개 또는 여러개의 쌍을 통해 영향을 받는 것을 결정하기 위해 사용됩니다. 그 후, 단면 분석 및 광학 현미경은 CAF의 존재를 확인하고 금속 이동의 근본 원인을 결정해야 한다. 근본 원인이 드릴 손상인 경우, 관통 구멍의 가장자리에서 큰 균열이 눈에 띄게 됩니다. 불량한 유리/수지 접합의 경우에, 중공 튜브 또는 보이드가 하나 이상의 라미네이트 층 내에서 유리 위브 내에서 관찰될 수 있습니다. 또한 SEM/EDS는 관찰된 필라멘트가 자연에서 금속성임을 확인할 수 있습니다.

도금된 관통 구멍 피로

PTH 피로는 전형적으로 두 가지 형태 중 하나로 나타난다: 배럴 크래킹 (barrel cracking), 관통 구멍 자체의 파쇄 (fractures), 그리고 추적 크래킹 (trace cracking), PTH 배럴과 통상적으로 부착된 트레이스 브레이크 (trace break) 사이의 연결. PTH 피로도는 평면외 방향에서의 라미네이트 물질의 팽창이 PTH에 대한 스트레스를 전달하기 때문에 열 순환의 결과로 가장 빈번하게 발생합니다. 3D및 심각한 경우 2D X선 현미경을 사용하여 PTH 골절을 식별할 수 있습니다. 그러나, PTH 크래킹이 종종 매우 얇기 때문에, 횡단면 분석 및 X-선 현미경검사가 일반적으로 확인하는 데 사용됩니다.

패드 크래어링 및 추적 프레임

패드 크래커링 및 추적 골절은 강하 스트레스 이벤트 (예: 저하 및 기타 충격) 와 연관된 장애입니다. 패드 크러매링은 주로 BGA 납땜 이음매에서 발생하는 고장이다. 이것은 기계적 응력이 패드가 보드를 뜯어내기 시작하게 하여, 볼 패드 아래의 라미네이트 층 내에 크레이터-형상의 크랙 구조를 생성하게 할 때 발생한다. 3D X-선, 염색 및 가지치기 분석, 단면 분석, 또는 매우 심각한 경우에 간단한 광학 검사를 사용하여 BGA 패드 아래에 있는 패드 크락티어링의 존재를 식별할 수 있습니다.

패드 크레이터는 종종 추적 골절을 동반합니다. 추적 골절은 라우팅과 볼 패드 사이의 스트레스 집중 인터페이스에서 발생하는 얇은 추적이 발생하는 경우 발생합니다. 또한, 트레이스들은 회로 보드의 다른 영역들에서, 통상적으로 응력 집중에서, 얇은 루팅 영역이 소정의 각도로 회전하거나 큰 솔더 패드에 연결될 때와 같이, 패드 크러티어링과는 무관하게 나타날 수 있다. 추적 골절은 찾기가 매우 어려울 수 있습니다. PCBA내의 전기 네트워크에 대한 철저한 지식뿐만 아니라 PCBA에 적용되는 기계적 부하의 일반적인 개념은 트레이스 파단이 의심되는 고장 메커니즘일 때 위치에 대한 가설을 공식화하는 것이 필요하다. X-선 현미경검사는 대부분의 경우 추적 골절의 존재를 확인할 수 있지만, 높은 배율에서 관심 네트워크를 정밀하게 스캔해야 하므로 시간이 오래 걸리는 활동입니다.

제품 디자인 및 개발 준수

특정 제품 설계 선택사항은 장애 격리를 매우 어렵게 할 수 있습니다. 포팅 (Potting), 샤시 (chassis) 및 고정 (fixturing) 은 시각적으로 가려지고, 전기적 특성화 또는 광학 검사를 금지하는 조립체의 영역에 대한 액세스를 물리적으로 억제할 수 있다. 많은 양의 금속을 가지고 있으면 관심 영역을 숨겨 X선의 유용성을 방해할 수 있다. 매우 단단하고 매우 부드러운 재료 (예를 들어, 알루미나 및 땜납) 를 모두 포함하는 조립 체는 품질을 가로지르는 절단을 어렵게 할 수 있다. 이들 및 기타 고유한 경우에는 환경, PCBA 특성 및 전자 컴포넌트 유형에 대한 지식을 사용하여 어떤 컴포넌트, 솔더 조인트 또는 보드 영역이 실패할 수 있는지에 대한 이론을 개발하고, 실패의 근본 원인을 충분히 확인하기 위해 독창적인 기술을 사용해야 합니다.

Ansys는 우리의 근본 원인 분석 서비스에 대한 다학문적 접근 방식을 제공합니다. 이 분석 서비스는 문제가 발생한 원인을 식별하는 데 효과적입니다. 이는 현장에서 발생했는지, 테스트에서 발생했는지 또는 제조 중 품질이 저하되었는지를 식별하는 데 효과적입니다. 견적을 요청하고 자세한 내용을 학습하려면 웹 사이트의 신뢰성 엔지니어링 서비스 페이지를 방문하십시오.