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解开故障元件之谜

作者：Jamie Clawson、Dave Mixon、Gary Runyon
充分掌握数据和以用户为导向，这是电子产业迅速发展取得成功的关键。故障分析与产品分析实验室*的目的是解释那些看似无法解释的故障，并作出判断，得到关于元件和产品故障的数据。实验室针对故障成因进行科学的研究, 帮助客户了解在制造和现场出现的问题。
实验室工作人员很像犯罪现场调查人员，要使用各种工具和技术，确定导致元件和元件故障的原因。在元件和元件的装配期间，有很多因素可能导致故障，例如，生产过程的管理、静电放电（ESD）保护措施，或者搬运和存储方法。除了实际进行测试和检验，分析人员往往还要研究一个元件的历史，或者为了查出问题的真相，需要进行破坏性试验。
实验室的客户包括公司内部的客户，例如公司的电子制造服务（EMS）业务以及他们的客户，一些独立的客户（许多这样的客户并不属于电子行业），会提出比较独特和复杂的要求，他们在产品开发或者元件测试中使用了特殊的分析设备。这些研究的意义在于找到改正错误的捷径。关于故障根本原因的最初设想，在测试过程常常会证明是错误的。同样，在推出新产品（NPI）时，把综合故障分析和环境测试结合起来，能够验证一个设计是否有问题，或者指出在技术上必需修改的地方。本文概括了实验室人员已经研究过的一些有代表性的问题，以及他们在进行分析时所用的方法。

是真货还是赝品？
故障并不一定都是元件或者元件的缺陷而造成的。组件是否是原装真品越来越成为重要的问题。下列情况表明，确定一个旧元件是否像所说的那样，对制造商、原始设备生产商和销售商而言都是难题。
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图1X光分析假冒元件的结果。


在第一个例子中，产品测试过程中故障率很高。随后进行的维修表明，问题与某个集成电路有关。实验室最初的重点是确定这些集成电路在制造或者搬运过程中是否损坏了。分析步骤如下：
用X光检查集成电路，确定它内部是否有缺陷；
加大X光，并对集成电路看得见的缺陷作出评估；
去掉集成电路封装的顶部，用金相显微镜对零件进行检查。
快速X光检查初步显示，集成电路上少了焊线并且多出了焊线，而且，这些元件不是集成电路制造商检测通过的批次。所以，实验室又购买了新的元件（图1）。
第二个例子就更清楚。我们要求实验室人员评估一些灰色市场的集成电路，确定它们是否能用。用X光检测它的内部结构，发现一些元件没有焊线或者没有芯片，表明组件不属于集成电路制造商经过检验的批次（图2）。所以，实验室要向制造商直接采购新元件。
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图2用X光检查缺少芯片的
假冒元件


第三个例子的结果就不同了。和第二个例子一样，一个客户计划采购灰色市场上的旧元件，并且希望通过芯片检查看看集成电路是否是原装的正品。在这种情况下，客户要求独立的销售商在采购这些元件之前要做足准备工作。在分析三个样品时，先是目测观察，可以看到集成电路顶部有激光蚀刻的制造商商标。产品型号说明，所有三个元件都是同样的RAM器件。用X光检查这三个集成电路，没有检查到任何异常。接下来，我们用浓硝酸来去掉封装。每一块芯片都用140倍金相显微镜进行观察。虽然它们说是某个制造商的集成电路，但是，芯片上却没有这家制造商的标志和元件编号。刻在芯片上的是另一个制造商的标志，日期为1995年，编号和版权也不一样。芯片上还刻有“美国制造”字样和美国国旗 （图3）。我们对两个制造商的使用说明书列出的数据做了比较。
结论是，元件中含有另一个制造商1995年制作的假芯片。这个元件的数据表与第一个制造商为确认芯片而发送的元件数据表相同。虽然内部芯片的标志与IC外部商标志不匹配，但是，一些公司把这些元件半成品转售给第三方也是很平常见的事情。销售商会把零件销售给终端客户，并提供一个准确的可靠性评估。
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图3刻在芯片上数据、商标和特殊标记
对于确定产品是否是真品十分重要。


罪魁祸首是过程管理吗？
第四个例子是分析一个重复出现的制造缺陷。在样品分析中，在线测试（ICT）数据显示，BGA焊点中有几个明显的开裂。在最初的制造过程中，它没有通过最后的测试。把它送到单独的实验室，用X光对焊点做进一步的测试和确认**。元件通过了检查，但却没有通过后面的ICT测试。
用显微镜初步检查可以发现，印刷线路板（PWB）元件的导通孔和焊盘的电镀有缺陷。目标BGA和对照BGA是用砂轮片从电路板元件中切割下来的。在用显微镜进行观察时，外排焊球的外观与常见的有一些不同（图4） 。两个BGA都是用慢速固化型环氧树脂装配，可以做焊球的显微切片。从焊球的显微切片可以看到，在目标BGA里，在PWB焊盘镀镍层上，八个焊球中有六个焊球底部的焊点开裂。还看到一些焊点有气泡，锡铅焊料外表呈粗粒状。而对照的BGA有一个焊球在PWB焊盘镀的两层镍之间开裂。
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图4外排焊球的外表有一些不正常。


进一步分析显示，PWB里的导通孔没有镀镍或者镀金不完全，因而在导通孔里有铜露出来。扫描电子显微镜（SEM）和能量散光测定（EDS）分析仪显示，在一个镍层里有轮廓分明的尖峰状磷，我们知道磷会减少过量电镀。我们看到，在目标BGA焊球下面，阻焊剂从各个焊盘边缘流了出来，在根部


形成奇形焊球，各个焊盘有一侧没有完全焊上。
整个分析揭示出了三个问题。PWB在电镀上有一些错开。双面镀镍层，特别是顶层表面粗糙，似乎与故障的发生有关。PWB还存阻焊膜位置不正的问题。最后，元件处在高于再流焊的温度或时间不足。我们建议，应该和PWB制造商一起，解决电镀和阻焊膜问题，并且改进焊料的再流焊温度曲线（图5）。

设计鉴定
实验室的另一方面工作是设计鉴定。有个例子，客户要求为他们的印刷电路板（PCBA）做鉴定，希望确认电路板上九个BGA的焊接质量。实验室的工作就是测定BGA与组件之间的可焊性，包括焊球对PWB焊盘的润湿、润湿后焊球的形状、焊料的颗粒度和焊球中气泡的大小。
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图5在分析过程中，从导通孔剖面图看到，
在许多地方铜上面镀金或者镀镍不完全。


为了便于分析，我们选择每个BGA角线上的焊球。使用X光对电路板上每一个BGA进行分析，通过选择组件板上的关键性标记确定切割位置，让分析师找到想要的焊球对角线。每个BGA都作了相应的标记，把BGA从电路板上取出，放到一个环氧树脂试样里。然后，每个BGA 都沿着标记，用精密的钻石刀切下来。BGA用X光进行第二次照射，确定切割刀口相对所选择的对角线的位置。然后，使用研磨轮，打磨成中心直径大约0.35毫米的焊球，而对角线的位置则使用一台金相显微镜来校验。分别给BGA焊球显微切片拍摄数字照片，并传送给客户。分析的最终结果是，焊料符合现行修订版IPC-A-610，这样，客户就能够按样机投入生产。
在下一个鉴定项目中，是测定BGA是否正确地焊接到PWB上，在剧烈震动和撞击的情况下，BGA是否还焊在电路板上。分析包括抗剪强度测试和可焊性评估。
用显微镜对六块板上六个BGA作初步的检查，没有发现任何外部缺陷或者异常。用一个测力计通过一个双向夹具来做推力测试，对这组BGA进行推力测试得到的结果是一致的——分别是33.6磅、32.8磅和34.2磅。
用光学显微镜观察BGA和PWB可以看到，在PWB焊盘上，焊球开裂几乎是平均分布的，PWB焊盘从绝缘层剥离，而焊球从BGA焊盘上裂开（图6）。
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图6立体显微照片显示，
经过剪切测试后PWB上
的各种情况：有的焊球
仍焊在板上，焊盘剥离，
焊球从焊盘上脱落。


就可焊性评估而言，仍然焊在PWB上的BGA用研磨片取了出来。把它们放在慢速固化型环氧树脂里，并在分析中做了显微切片。把BGA沿着选定的水平线、垂直线和对角线做显微切片，并用金相显微镜检测。所有的显微切片都显示，焊球焊接结果良好，气泡可以接受，润湿良好。抗剪强度分析揭示，在剪切测试中BGA从PWB焊盘上断裂的分布均匀，从显微切片看到焊球的形状是预期的。除了没有超出规格范围的气泡之外，焊球没有缺陷，没有断裂或者异常。

贯彻RoHS后制造工艺的发展
在这项研究中，实验室检查了两种情况：一个是含铅工艺，另一个是无铅工艺。研究的目的是为了确定，能否在无铅工艺中检测出微量的铅。在第二种情况下，在进行无铅工艺之后再进行锡铅焊接工艺，让分析员寻找残存的微量银。
我们对十二块PWB进行了元素光谱测定分析，每一块PWB都有一个焊盘使用无铅焊料。用X射线荧光（XRF）光谱测定法，可以分析检测锡（Sn）、银（Ag）、铜（Cu）、镍（Ni）和铅（Pb）。每一个光谱的持续时间为10秒钟。同时还对这些PWB板做X射线能谱仪（EDS）分析。用电子显微镜（SEM）和 X射线能谱仪（EDS）分析无铅焊料的结果是： Cu含量1.82%、 Ag含量2.33%、Sn含量93.43%，EDS光谱中没有观察到铅的尖峰。用XRF检测未使用的焊料，结果是： Sn含量94.5%、Ag含量4.6%、Cu含量0.4%、Ni含量0% （表1）。
在工艺研究的第二部分中，我们对十二块PWB进行元素分析，每一块PWB都有一个焊盘使用锡铅焊料。用X射线荧光光谱测定法，分析了锡、银、铜、镍和铅元素。XRF光谱持续时间为10秒钟。结果显示铅的含量低于0.10%，符合RoHS 条例的规定，可以接受。用XRF测量法没有检测出含有银。结论是，在对流焊接工艺，通过调整加热曲线，可以在含铅和无铅工艺之间进行转换，铅的含量不会超过RoHS的规定，可以接受。

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结论
随着电子产品制造业的复杂程度和精密程度不断提高，及时地分析故障成因并提供数据，以便作出决策或者验证设计设想，其重要性将日益提高。上述的每一个例子都涉及技术方面的专门知识、正规的分析过程和复杂的测试，都要编制和管理文件。有时客户要求进行的评估存在时效问题，测试一完成，就可以得到结果。不论是什么情形，产品分析都可以帮助工程人员取得他们需要的数据，及时作出适当的决定，采取正确的措施或者作出改进，以便进行下一阶段的产品开发。

* EPIC Technologies’ Johnson City TN 故障分析/产品分析实验室。
** Hewlett Packard 5DX Series II X-ray。

作者简介
Jamie Clawson 是EPIC 科技公司的高级分析师。Dave Mixon是EPIC科技公司产品分析实验室经理。 Gary Runyon 是EPIC科技公司产品分析实验室高级分析师。需要更多信息请通过电子信箱与Dave Mixon联系，信箱：Dave.Mixon#epictech.com。