如何辨認常見的電子故障

Ansys 可靠度工程服務團隊的一名成員在顯微鏡下尋找故障機制。

故障分析是辨識並嘗試減輕故障根本原因的過程。在電子產業中，故障分析包括在收集更詳細資料，以調查哪個元件或電路板位置功能不正常之前，將故障隔離至組裝電路板 (PCBA) 上的某個位置。

PCBA 上的電子設備通常會在以下三個位置的其中一處出現故障：

1. 在一個元件內
2. 在元件和電路板之間的互連處 (通常是焊錫接點)
3. 在印刷電路板中

元件層級故障

元件層級故障是指在焊接到印刷電路板上的電子元件內發生的故障。通常，當故障被隔離至特定電子元件時，可以使用進一步的電氣特性 (例如比較曲線跟踪)，將故障隔離至特定接腳。當故障位於具有大量 I/O 引腳的元件上時，此點至關重要。下方討論了一些最常見的元件層級故障，以及用來識別其故障的分析技術。

焊線斷裂和剝離

焊線是將積體電路的裸晶片連接至其引線的小引線。焊線又薄又脆弱，在機械應力下可能會斷裂。用來辨識焊線斷裂的最常見故障分析技術為 X 光顯微鏡。在大多數的狀況下，積體電路內部結構的 X 光影像足可確認或消除作為故障機制的焊線斷裂。當焊線斷裂是一種可疑的故障時，聲學顯微鏡也可收集其故障相關資料。因為聲學顯微鏡可辨識樣本中的氣隙，因此可發現「爆米花現象」的證據，而這將會損壞焊線。

類似的故障情況為焊線剝離，其中球型焊在引線和晶片之間的介金屬連接處斷裂，並從焊線盤上剝離。這通常是因焊接過程中產生的問題而引發。多種故障分析方式可以辨識並確定焊線剝離的根本原因。在嚴重的狀況下，可利用 X 光顯微鏡識別焊線剝離；但是，通常需要橫截面來進行確認。一旦焊接剝離被確認為故障情況，則進一步的分析可以確定焊接剝離的原因。最常見的原因是焊線盤上的化學污染或因焊接過程中不正確的壓力所導致成型不良、破碎的球形焊。高品質的橫截面將可測量焊接的大小和形狀，及介金屬連接的厚度。在某些情況下，可能需要從晶片上拉下或剪斷焊接以檢查焊盤表面。焊接盤表面的掃描電子顯微鏡 (SEM) 和能量散射 X 射線光譜儀 (EDS) 可揭露可能造成焊接問題的污染。

分層

元件內的分層通常是指成型模料與積體電路的晶片或引線框架的分離。晶片表面的分層會產生濕氣進入的可能性，進而造成晶片短路。聲學顯微鏡是最常用於辨識元件內分層的非破壞性方法。當已知疑似分層的位置時，可再透過橫截面進行確認。

電容器開裂

積層晶片電容器 (MLCC) 在機械彎曲或熱衝擊下容易裂開。當電容器所焊接的電路板發生過度彎曲時，就會發生彎曲裂開，這可能是在分板、連接器插入、固定或其他機械事件期間造成的。當組件遇到突然且急劇的溫度升高 (例如焊接不當) 時，便會發生熱衝擊裂開。在任何一種狀況下，無論是在極板間還是在極板與端子之間，電容器破裂都可能因增加電容器體內短路風險而造成元件故障。3D X 光和聲學顯微鏡可以辨識電容器破裂，但是通常需要進行橫截面分析才能完全確認。橫截面和光學顯微鏡也會揭露裂開的根本原因。彎曲裂紋通常會顯示出元件端子水平和垂直區域間的對角線裂紋，而熱衝擊裂紋可能會以各種形態出現。

晶片損壞

晶片損壞可能多種方式呈現。機械或熱機械過度應力可以實質地使晶片破裂，進而在積體電路內產生斷路。此類型的晶片裂開通常非常嚴重，可透過聲學顯微鏡、3D X 光顯微鏡及 2D X 光顯微鏡 (在某些嚴重情況下) 進行確認。一旦知道晶片裂紋的位置，便可使用橫截面分析，更詳細地檢查損壞的方向和嚴重程度。

過度電性應力或靜電放電也會造成嚴重程度不同的晶片損壞。極端的電性事件會導致足夠的碳化，可使用 X 光顯微鏡進行觀察。但是電子晶片的損壞通常更加細微，在這些狀況下，需要使用更專業的晶片檢測技術。當疑似積體電路的電子晶片損壞時，拆封元件將是無可避免的首要步驟。酸解封裝可去除包覆成型化合物，揭露晶片表面和焊線，進而進行光學檢測。若損壞處位於表面或主動區的其中一個上層，則通常可在解封裝後利用光學顯微鏡或掃描電鏡觀察。在更深或極細微的過度靜電應力 (EOS) 或靜電放電 (ESD) 損壞的狀況下，必須使用超導量子干涉儀 (SQUID)、電應力下的熱成像或其他專業技術檢查晶片，以辨識確切的故障點。

互連層級故障

互連等級的故障通常是焊錫接點或引線損壞。了解電子組件的環境條件有助於在開始進行故障分析之前確定互連等級的故障可能性。用來辨識最常見元件/電路板互連故障形式的實驗室技術，討論如下。

焊錫疲勞

焊錫疲勞的發生主要是因為長時間的溫度循環。焊錫疲勞的主要驅動因素是 PCB 與引線或元件主體之間的熱膨脹係數失配。灌膠或元件翹曲、過度振動或增加元件尺寸的拉應力會加速這種效應。在許多情況下，光學檢查或 X 光顯微鏡可以辨識此類故障；然而，對接頭進行橫截面檢查是確認疲勞故障最可靠的方法。可以檢查焊錫接點的優質橫截面是否存在與焊錫上持續應力相關的裂開或晶粒生長/相位粗化的證據。當橫截面不可行時— —例如當具有多個接腳之 BGA 上的故障接頭為未知時，紅墨水檢測分析 (dye-and-pry)可以辨識焊錫接點的裂開。

焊錫過度應力

當單一機械事件 (例如摔落) 造成焊錫接點斷裂時，就會發生焊錫過度應力。光學顯微鏡和橫截面可辨識過度應力斷裂。通常由機械過度應力引起的焊錫接點裂開情況，比焊錫疲勞引起的間隙要大得多。

鉛斷裂

引線斷裂也是一種故障，發生於當元件的焊錫接點保持完好，但金屬引線本身在電路板和元件主體之間產生斷裂。引線斷裂最常見於大型電解電容器和帶有翼形引線的元件，而這些引線會受到過度的振動和衝擊。光學顯微鏡可辨識這些引線斷裂，機械測試可用來評估電子組件中引線斷裂的風險。

電路板級故障

電路板等級的故障情況會顯示於印刷電路板本身或其內部，可能以短路或斷路的方式顯現；且依電路板電氣網路和堆疊的複雜性，其故障情況可能比元件或互連等級的故障更難找出。

閱讀「成功進行電路板級可靠度測試的 6 個步驟」白皮書，以了解更多資訊。

污染引起的電流洩漏

當電路板沒有經過徹底清潔時，在潮濕環境中的電路板表面可能會發生元件引線或暴露跡線之間的短路。在嚴重狀況下，這些短路可利用光學顯微鏡或 SEM/EDS 進行確認。離子污染分析亦可作為電路板鑑定技術，確定電路板表面的污染程度是否低於產業標準的最低值。

導電陽極絲 (CAF) 失效

當金屬沿著 PCB 層壓板層內的纖維遷移時，就會出現導電性陽極細絲故障 (CAF)。當 CAF 產生於兩個緊密間隔的電鍍通孔 (PTH) 之間時，通常會產生故障。CAF 故障通常是因過度鑽孔或玻璃/樹脂粘合不良所造成的，且可能因潮濕環境而加劇。在現場使用之前，溫度/濕度偏差測試可確定電子組件的 CAF 風險。當預期會出現 CAF 故障時，通常會使用電氣測試來確定受影響的通孔或通孔對。接著，橫截面分析和光學顯微鏡必須確認 CAF 的存在並確定金屬遷移的根本原因。當根本原因為鑽頭損壞時，通孔邊緣四周會出現明顯的大裂縫。於玻璃/樹脂粘合不良的情況下，在一個或多個層壓板層的玻璃織物內可觀察到空心管或空隙。透過 SEM/EDS 測試，還可確認所觀察到的細絲為金屬的質地。

電鍍通孔疲勞

導通孔 (PTH) 疲勞通常以下列兩種形式顯示：孔壁破裂 — —當通孔上的電鍍層本身斷裂時；線路破裂— —當導通孔孔壁與正常連接的線路斷開時。導通孔 (PTH) 疲勞通常是熱循環的結果，因為層壓材料在面外方向的膨脹將應力轉移至導通孔 (PTH)。3D 及 2D X 光顯微鏡 (在極嚴重狀況下) 可用來識別導通孔 (PTH)斷裂；然而，由於導通孔 (PTH)裂紋通常很薄，因此通常使用橫截面分析和 X 光顯微鏡進行確認。

焊盤坑裂和線路斷裂

焊盤坑裂和線路斷裂是與過度應力事件相關的故障，如摔落和其他衝擊。焊盤坑裂為主要發生於焊球陣列封裝 (BGA) 焊錫接點下的故障。當機械應力導致焊盤開始從電路板上撕落時，就會發生這種情況，進而在球型焊盤下方的層壓板層中形成火山口形裂紋結構。使用 3D X 光、染色分析、撬動分析與橫截面分析皆可用來辨識焊盤坑裂，或在非常嚴重的情況下，可使用簡單的光學檢查來辨識焊球陣列封裝 (BGA) 焊盤下方是否有焊盤坑裂。

焊盤坑裂常伴有微量的線路斷裂。當一條極細的線路在佈線和球型焊盤間的應力集中界面處斷裂時，就會發生線路斷裂。線路斷裂也可能出現獨立於電路板其他區域的焊盤凹坑，通常在應力集中時— —例如當佈線的薄區以一定角度轉彎或連接至大的焊錫盤時，追踪其線路裂縫可能很難找到。對 PCBA 內電氣網路的全面了解以及對施加至 PCBA 的機械負載的一般概念是工程師必須具備的，以在懷疑線路斷裂為故障原因時，可以提出故障相關位置的假設。在大多數情況下，X 光顯微鏡可以確認是否有微量斷裂，但這通常是一項耗時的活動，因為其可能需要在高放大倍率下對相關的電路進行徹底掃描。

產品設計和開發的難題

在產品設計過程中的某些選擇，會使故障隔離變得極為困難。灌膠、底盤和固定裝置可能會造成視覺遮蔽，並阻礙對組件區域的存取，進而阻止電氣特性的分析或光學檢查。含有大量金屬的組件會隱蔽相關的區域，進而妨礙 X 光的實用性。包含極硬和極軟材料 (例如氧化鋁和焊錫) 的組件會使高質量的橫截面變得困難。在以上這些和其他獨特的狀況下，必須使用環境知識、PCBA 特性和電子元件類型來開發關於哪些元件、焊錫接點或電路板區域可能出現故障的假設，且可能需要採用具開創性的技術以充分確認失敗的根本原因。

Ansys 提供了多專業的技術以進行根本故障原因分析，可有效辨識問題是如何產生的，無論問題是發生在現場、測試中還是於製造過程中的品質損失。請造訪我們網站的可靠度工程服務頁面，以取得報價及更多資訊。