pcb板設(shè)計(jì)之十大失效分析技術(shù)（二）

6.掃描電子顯微鏡分析

掃描電子顯微鏡（SEM）是用于故障分析的最有用的大型電子顯微鏡成像系統(tǒng)之一。 其工作原理是利用陰極發(fā)射的電子束加速通過陽極，并在磁透鏡聚焦后，形成直徑為幾十至幾千埃（A）的電子束。 在掃描線圈的偏轉(zhuǎn)下，電子束以一定的時(shí)間和空間順序在樣品表面上執(zhí)行逐點(diǎn)掃描運(yùn)動(dòng)。 這種高能電子束在樣品表面上的轟擊將激發(fā)各種信息。 在收集和放大之后，可以從顯示屏獲得各種相應(yīng)的圖形。 激發(fā)的二次電子在樣品表面上產(chǎn)生5-10 nm的范圍。 因此，二次電子能更好地反映樣品表面的形貌，因此最常用于形貌觀察。 激發(fā)后的散射電子在樣品表面產(chǎn)生。 在100?1000nm范圍內(nèi)，具有不同特性的背散射電子以不同的原子序數(shù)發(fā)射。 因此，背向散射電子圖像具有形態(tài)特征和辨別原子序數(shù)的能力。 因此，反向散射電子圖像可以反映化學(xué)元素。 成分分配。 當(dāng)前的掃描電子顯微鏡非常強(qiáng)大，任何精細(xì)的結(jié)構(gòu)或表面特征都可以放大到數(shù)十萬倍用于觀察和分析。  

就PCB或焊點(diǎn)失效分析而言，SEM主要用于分析失效機(jī)理。 具體而言，它用于觀察焊盤表面的形態(tài)，焊點(diǎn)的金相結(jié)構(gòu)，并測(cè)量金屬間化學(xué)分析，可焊性涂層分析和錫晶須分析。 與光學(xué)顯微鏡不同，掃描電子顯微鏡形成電子圖像，因此只有黑色和白色，并且掃描電子顯微鏡的樣品需要導(dǎo)電。 非導(dǎo)體和某些半導(dǎo)體需要噴涂金或碳。 否則，樣品表面上的電荷積累會(huì)影響樣品的觀察。 另外，SEM圖像的景深遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡的景深。 對(duì)于不均勻樣品，例如金相組織，微裂紋和錫晶須，這是一種重要的分析方法。

7.X射線能譜分析

上述掃描電子顯微鏡通常配備有X射線能譜儀。 當(dāng)高能電子束撞擊樣品表面時(shí)，表面材料原子中的內(nèi)部電子被轟擊并逸出。 當(dāng)外部電子躍遷到低能級(jí)時(shí)，特征X射線被激發(fā)。 不同元素的特性具有不同水平的原子能。  X射線不同，因此可以將樣品發(fā)出的特征X射線分析為化學(xué)成分。 同時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的X射線信號(hào)作為特征波長(zhǎng)或特征能量，相應(yīng)的儀器稱為光譜色散光譜儀（簡(jiǎn)稱為WDS）和能量色散光譜儀（簡(jiǎn)稱為EDS）。 光譜儀的分辨率高于光譜儀，光譜儀的分析速度快于光譜儀。 由于能量譜儀的速度快且成本低，普通SEM配備了能量譜儀。  

利用電子束的不同掃描方法，光譜儀可以執(zhí)行表面點(diǎn)分析，線分析和表面分析，并且可以獲得有關(guān)元素不同分布的信息。 點(diǎn)分析可獲取點(diǎn)的所有元素； 線分析每次對(duì)指定的線執(zhí)行元素分析，并且多次掃描獲得所有元素的線分布； 表面分析會(huì)分析指定表面中的所有元素，并且測(cè)得的元素含量為測(cè)量范圍的平均值。  

在PCB的分析中，能量譜儀主要用于焊盤表面的成分分析，以及可焊性較差的焊盤表面和引腳的污染的元素分析。 能量光譜儀的定量分析的準(zhǔn)確性是有限的，并且含量低于0.1％通常不易檢測(cè)。 能量譜和SEM的結(jié)合可以同時(shí)獲得有關(guān)表面形貌和組成的信息，這就是為什么它們被廣泛使用的原因。  

 8.光電子能譜（XPS）分析

當(dāng)樣品受到X射線照射時(shí)，表面原子的內(nèi)殼上的電子將從核中逸出并從固體中逸出 表面形成電子。 可以得到動(dòng)能Ex，原子內(nèi)殼的電子的結(jié)合能Eb。  Eb隨不同元素和不同電子殼而變化。 它是原子的“指紋”識(shí)別參數(shù)。 形成的光譜線是光電子能譜（XPS）。  XPS可用于樣品表面淺表面（幾個(gè)納米）元素的定性和定量分析。 另外，可以基于結(jié)合能的化學(xué)位移來獲得關(guān)于元素的化學(xué)價(jià)的信息。 它可以提供諸如表層和周圍元素的原子價(jià)之類的信息； 由于入射光束是X射線光子束，因此可以在不損壞被分析樣品的情況下進(jìn)行絕緣樣品的分析。 也可以進(jìn)行快速的多元素分析； 在氬離子剝離的情況下，在多個(gè)層上進(jìn)行了縱向元素分布分析（請(qǐng)參見以下情況），其靈敏度遠(yuǎn)高于能譜（EDS）。 在PCB的分析中，XPS主要用于分析焊盤涂層的質(zhì)量，污染的分析和氧化程度的分析，以確定造成不良可焊性的深層原因。

9.熱分析差示掃描量熱法

：一種在程序的溫度控制下測(cè)量物質(zhì)與參考物質(zhì)之間的功率差與溫度（或時(shí)間）輸入之間關(guān)系的方法。  DSC在樣品和參比容器下方配備了兩組補(bǔ)償加熱絲。 當(dāng)由于加熱樣品期間的熱效應(yīng)而在樣品和參考之間產(chǎn)生溫差ΔT時(shí)，可以使用差動(dòng)熱放大電路和差動(dòng)熱補(bǔ)償放大器。  ，使流入補(bǔ)償加熱絲的電流發(fā)生變化。  

為了平衡兩側(cè)的熱量，溫度差ΔT消失，并記錄樣品下兩個(gè)電熱補(bǔ)償量與參考之間的熱功率差隨溫度（或時(shí)間）的關(guān)系。 可以研究和分析材料的物理，化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。  DSC被廣泛使用，但是在PCB的分析中，它主要用于測(cè)量PCB上使用的各種聚合物材料的固化度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。 這兩個(gè)參數(shù)決定了后續(xù)工藝中PCB的可靠性。  

 10.熱力學(xué)分析儀（TMA）

熱力學(xué)分析（Thermal Mechanical Analysis）用于在溫度控制下測(cè)量固體，液體和凝膠對(duì)熱力或機(jī)械力的影響。 程序根據(jù)變形性能，常用的載荷方法為壓縮，穿透，拉伸，彎曲等。 測(cè)試探針由懸臂梁和固定在其上的螺旋彈簧支撐，并且通過電動(dòng)機(jī)將載荷施加到樣品上。 當(dāng)樣品變形時(shí)，差動(dòng)變壓器會(huì)檢測(cè)到這種變化并利用溫度，應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行處理。 可以得出，在可忽略的載荷下物質(zhì)的變形與溫度（或時(shí)間）有關(guān)。 根據(jù)變形與溫度（或時(shí)間）之間的關(guān)系，可以研究和分析材料的物理，化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。  TMA被廣泛使用。 在PCB分析中，它主要用于PCB的兩個(gè)最關(guān)鍵參數(shù)：測(cè)量其線性膨脹系數(shù)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。 具有膨脹系數(shù)過大的基板的PCB通常會(huì)導(dǎo)致在組裝焊料后出現(xiàn)金屬化孔的故障。  

由于PCB的高密度發(fā)展趨勢(shì)以及無鉛和無鹵素的環(huán)境要求，越來越多的PCB遇到各種故障問題，例如潤(rùn)濕性差，破裂，分層和CAF。 介紹這些分析技術(shù)在實(shí)際案例中的應(yīng)用。 了解PCB的失效機(jī)理和原因，將有利于將來PCB的質(zhì)量控制，避免類似問題再次發(fā)生。