如何识别常见的电子故障

Ansys可靠性工程服务团队的一名成员在显微镜下研究故障机制。

故障分析是识别故障根源并尝试减轻故障的过程。在电子行业，故障分析包括将故障隔离到印刷电路板装配（PCBA）上的某个位置，然后收集更详细的数据以研究哪个组件或电路板位置运行不正常。

PCBA上的电子设备通常会在以下三个位置之一出现故障：

1. 在一个组件内
2. 在组件和电路板之间的互连处（通常为焊点）
3. 在印刷电路板内部

组件级故障

组件级故障是指焊接到印刷电路板上的电子组件内发生的故障。通常，当故障被隔离到特定电子组件时，可以使用进一步的电气特性（例如比较曲线跟踪）将故障隔离到特定引脚。当故障位于具有大量I/O引脚的组件上时，这一点至关重要。下面讨论了一些最常见的组件级故障以及用于识别它们的故障分析技术。

引线键合断裂和剥离

丝焊是将集成电路的芯片连接到其引线的细焊线。它们又薄又脆，在机械应力下会发生断裂。用于识别引线键合断裂最常见的故障分析技术是X射线显微镜。在大多数情况下，集成电路内部结构的X射线图像足以确认或消除引线键合断裂作为故障机制。当引线键合断裂被怀疑是一种故障机制时，声学显微镜也可以收集数据。因为它可以识别样品中的气隙，所以它可以发现爆板开裂的证据，这可能会损坏引线键合。

一种类似的故障机制是引线键合剥离，其中球键在焊线与芯片之间的金属间连接处断裂，并从焊盘上剥离。这通常是由于键合过程中的问题而引发的。几种故障分析方案可以识别并确定引线键合剥离的根本原因。在严重的情况下，可以通过X射线显微镜识别引线键合剥离；但是，通常需要横截面来确认。一旦确认键合剥离为故障机制，进一步的分析就可以确定键合剥离的原因。最常见的原因是焊盘上的化学污染，或键合过程中由于不正确的压力而导致的成型不良的捣碎球。高质量的横截面能够测量键合的尺寸和形状，以及金属间连接的厚度。在某些情况下，可能需要从芯片上拉出或剪断键合以检查焊盘表面。焊盘表面的扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线谱仪（EDS）可以揭示可能造成键合问题的污染。

分层

组件内的分层通常是指模塑料与集成电路的芯片或引线框架的分离。芯片表面的分层可能会导致水分进入，从而导致整个芯片短路。声学显微镜是最常用于识别组件内分层的非破坏性方法。当怀疑分层的位置已知时，横截面也可以进行确认。

电容器开裂

多层片式电容器（MLCC）在机械弯曲或热冲击下容易开裂。当焊接电容器的电路板发生过度弯曲时，就会发生弯曲开裂，这可能是在拆板、连接器插入、固定或其他机械事件中造成的。当部件遇到突然、剧烈的温度升高（例如由于焊接不当）时，就会发生热冲击开裂。在任何一种情况下，电容器开裂都可能增加电容器内部短路的风险，从而导致组件故障，无论是在极板之间还是在极板与端子之间。3D X射线和声学显微镜可以识别电容器开裂；但是，通常需要进行横截面分析才能完全确认。横截面和光学显微镜也可以揭示开裂的根本原因。弯曲裂纹通常表现为组件端子的水平和垂直区域之间的对角线裂纹，而热冲击裂纹可能会以各种形态出现。

芯片损坏

芯片损坏可以通过多种方式表现出来。机械或热机械过应力可能导致芯片出现物理裂纹，从而在集成电路内形成开路。这种类型的芯片开裂通常比较严重。可以通过声学显微镜、3D X射线显微镜以及2D X射线显微镜（在一些严重的情况下使用）来确认。一旦知道芯片裂纹的位置，就可以使用横截面分析来更详细地检查损坏的方向和严重程度。

电气过应力或静电放电也会导致不同严重程度的芯片损坏。极端电气事件会导致足够的碳化， 用X射线显微镜可以观察到；然而，电子芯片损坏通常要微妙得多。在这些情况下，需要更专业的芯片检测技术。当怀疑集成电路的电子芯片损坏时，第一步往往是组件解封装。酸解封装可以去除二次成型化合物，暴露芯片表面和引线键合，从而进行光学检测。如果损坏发生在表面或有源区的其中一个上层，通常可以在解封装后用光学显微镜或SEM观察。在更深或非常细微的静电过应力（EOS）或静电放电（ESD）损坏的情况下，必须使用超导量子干涉仪（SQUID）、电应力下的热成像或其他专业技术来检查芯片，以确定准确的故障地点。

互连级故障

互连级故障通常是焊点或引线断裂。了解电子装配体的环境条件有助于在开始故障分析之前确定互连级故障的可能性。下面讨论了用于识别最常见的组件/电路板互连故障形式的实验室技术。

焊接疲劳

焊接疲劳主要是由于长时间的温度循环造成的。焊接疲劳的主要驱动因素是PCB与引线或组件体之间的热膨胀系数不匹配。灌封或组件翘曲产生的拉伸应力、过度振动或增加组件尺寸会加速这种效应。在许多情况下，光学检查或X射线显微镜可以识别此类故障；然而，对接头进行横截面分析是确认疲劳失效的最可靠方法。可以检查焊点的高质量横截面是否存在开裂或与焊接上的持续应力相关的晶粒生长/相粗化的证据。当横截面不切实际时，例如当具有许多引脚的BGA上的失效接头未知时，染色和撬动技术可以识别焊点开裂。

焊接过应力

当单个机械事件（例如坠落）导致焊点断裂时，就会发生焊接过应力。光学显微镜和横截面可识别过应力断裂。通常，由机械过应力导致的焊点开裂比焊接疲劳引起的焊点间隙要大得多。

引线断裂

引线断裂是一种故障机制，当组件的焊点保持完好，但金属引线本身在电路板和组件主体之间断裂时，就会发生这种故障机制。引线断裂最常见于大型电解电容器和带有薄鸥翼引线的组件，这些组件会受到过度振动和冲击。光学显微镜可识别引线断裂，机械测试可用于评估电子装配体中引线断裂的风险。

板级故障

板级故障表现在印刷电路板本身上面或内部。它们可能表现为短路或开路，并且根据电路板电气网络和堆叠的复杂性，可能比组件级或互连级故障更难定位。

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污染引起的电流泄漏

在潮湿环境中，当电路板没有足够的清洁度时，电路板表面可能会发生组件引线或裸露迹线之间的短路。在严重的情况下，这些短路可以通过光学显微镜或SEM/EDS来确认。离子污染分析也可用作电路板鉴定技术，以确定电路板表面的污染水平是否低于行业标准最低值。

导电阳极丝失效

当金属沿着PCB层压层内的纤维迁移时，就会出现导电阳极丝（CAF）。当CAF发生在两个紧密间隔的镀通孔（PTH）之间时，通常会造成失效。CAF失效通常是由过度的钻头损耗或玻璃/树脂粘合不良造成的，潮湿环境会加剧CAF失效。温度/湿度偏差测试可以在现场使用之前确定电子组件的CAF风险。当预计会出现CAF失效时，通常使用电气测试来确定受影响的通孔对。然后横截面分析和光学显微镜必须确认CAF的存在，并确定金属迁移的根本原因。如果根本原因是钻头损坏时，通孔边缘周围就会出现明显的大裂纹。在玻璃/树脂粘合不良的情况下，可以在一个或多个层压层的玻璃织物内观察到空管或空隙。SEM/EDS还可以确认观察到的细丝是否是金属性质的。

镀通孔疲劳

PTH疲劳通常表现为以下两种形式之一：当通孔上的镀层本身断裂时，空筒开裂；当PTH空筒与正常连接的迹线之间断开连接时，迹线开裂。PTH疲劳通常是热循环的结果，因为层压材料在平面外方向上的膨胀会将应力转移到PTH。3D和2D X射线显微镜（在严重的情况下）可用于识别PTH断裂；然而，由于PTH裂纹通常很薄，一般使用横截面分析和X射线显微镜来确认。

焊盘坑裂和迹线断裂

焊盘坑裂和迹线断裂是与过应力事件（例如坠落和其他冲击）相关的故障。焊盘坑裂是一种主要发生在BGA焊点下的故障。当机械应力导致焊盘开始从板上脱落时，就会发生这种情况，从而在球焊盘下方的层压层中形成坑状裂纹结构。3D X射线、染色和撬动分析、横截面分析，或者在非常严重的情况下，可以使用简单的光学检查来识别BGA焊盘下方是否存在焊盘坑裂。

焊盘坑裂常伴有迹线断裂。当布线和球焊盘之间的应力集中界面处出现细迹线断裂时，就会发生迹线断裂。迹线断裂也可能独立于电路板其他区域的焊盘坑裂而出现，通常在应力集中处出现，例如当一个薄的布线区域以一定角度转弯或连接到大型焊盘时。迹线断裂可能很难定位。全面了解PCBA内的电气网络以及对施加到PCBA的机械载荷的一般概念，对于提出关于迹线断裂是疑似故障机制时位置的假设也是必要的。在大多数情况下，X射线显微镜可以确认是否存在迹线断裂，但这通常是一项耗时的活动，因为它可能需要在高放大倍数下对相关网络进行彻底扫描。

产品设计和开发复杂性

某些产品设计选择可能会使故障隔离变得极其困难。灌封、底盘和夹具可能会在视觉上模糊并在物理上阻碍对装配体区域的访问，从而禁止进行电气特征化或光学检查。含有大量金属的装配体会隐藏相关区域，从而妨碍X射线的使用。含有非常硬和非常软的材料（例如氧化铝和焊料）的装配体可能会使高质量的横截面变得困难。在这些和其他特殊情况下，必须利用环境、PCBA属性和电子组件类型的知识来发展关于哪些组件、焊点或电路板区域可能出现故障的理论，并且可能需要采用创造性技术来充分确认故障的根本原因。

Ansys为我们的根本原因分析服务提供了一种多学科方法，可有效确定问题是如何产生的，无论是在现场、测试中发生的，还是涉及制造过程中的质量损失。欢迎访问我们网站的可靠性工程服务页面，申请报价并了解更多信息。