PCBA技術 - PCBA失効技術の要点分析

PCBA故障技術要点分析PCBは各種部品のキャリアと回路信号伝送のハブとして、すでに電子情報製品の中で最も重要で最も重要な部分となっている。その品質と信頼性は、デバイス全体の品質と信頼性を決定します。しかし、コストと技術的な理由により、PCBは生産と応用の中で大量の故障問題が発生した。

一般的な故障解析技術を使用するには長い時間がかかります。PCBの構造特徴と主な故障モードの間で、本文は重点的に9種類のPCB故障分析技術を紹介し、以下を含む：目視検査、X線蛍光透視、金相スライス分析、熱分析、光電子分光、顕微鏡赤外分析、走査電子顕微鏡分析とX線分光分析など。金相スライス分析は破壊性分析技術である。この2つの技術を使用すると、サンプルは破壊され、回収できなくなります。また、試料調製の要求により、試料を部分的に破壊するために走査電子顕微鏡とX線エネルギー分光分析が必要になる場合がある。また、分析中に故障箇所や故障原因の検証が必要なため、熱応力、電気性能、溶接可能性試験、寸法測定などの試験技術を使用する必要がある場合がありますが、ここでは詳しく説明しません。

1.外観検査外観検査は肉眼または立体顕微鏡、金相顕微鏡、さらには拡大鏡などの簡単な器具を用いて、PCBの外観を検査して、故障部位と関連物証を探し出す。主な機能は故障を特定し、PCBの故障モードを初歩的に確定することである。外観検査は主にPCBの汚染、腐食、板破裂の位置、回路配線と故障の規則性を検査し、ロットまたは単一であれば、常にある領域に集中しているかどうかなど。また、多くのPCB故障はPCBAに組み立てた後に発見された。故障は組立過程と過程で使用される材料の影響によるものであるかどうか、また故障領域の特性を注意深く検査する必要がある。

2.X線透視は、目視検査ができない部品やPCB貫通孔の内部やその他の内部欠陥に対して、X線透視システムを使用して検査しなければならない。X線蛍光透視システムは、X線の吸湿または透過の異なる原理に基づいて、異なる材料厚さまたは異なる材料密度を用いて画像化を行う。この技術は、高密度パッケージにおけるPCBA溶接点の内部欠陥、スルーホールの内部欠陥、BGAまたはCSPデバイスの欠陥溶接点の位置決めを検査するためにより多く使用されている。現在の産業用X線透視装置の解像度は1マイクロメートル以下に達することができ、2次元撮像装置から3次元撮像装置に移行している。包装検査用の5次元（5 D）デバイスもあるが、この5 DX光学透視システムは非常に高価で、業界では実用的な使用は少ない。

三、スライス分析スライス分析はサンプリング、モザイク、スライス、研磨、腐食、観察などの一連の方法とステップを通じて、PCB断面構造を得る過程である。スライス分析により、PCB品質を反映したミクロ構造（スルーホール、めっき層など）の豊富な情報を得ることができ、次の品質改善に良好な根拠を提供する。しかし、この方法は破壊的である。スライスすると、サンプルは必然的に破壊される。同時に、この方法はサンプルの製造に非常に要求が高く、サンプルの製造には長い時間がかかり、訓練された技術者が完成する必要がある。詳細なスライスプロセスについては、IPC-TM-650 2.1.1およびIPC-MS-810に規定されているプロセスを参照してください。

走査音響顕微鏡は現在、C型超音波走査音響顕微鏡は主に電子カプセル化または組立分析に用いられている。高周波超音波を用いて材料の不連続界面で反射して発生する振幅、位相、極性変化を用いて画像化を行う。走査方法は、X−Y平面上の情報をZ軸に沿って走査する。したがって、走査音響顕微鏡は、クラック、層状化、介在物、および空隙を含むコンポーネント、材料、ならびにPCBおよびPCBA中のさまざまな欠陥を検出するために使用することができる。走査音響の周波数幅が十分であれば、溶接点の内部欠陥を直接検出することもできる。典型的な走査音響画像は、欠陥の存在を示すために赤色警告色を使用する。SMTプロセスでは大量のプラスチックパッケージ要素が使用されるため、鉛プロセスから無鉛プロセスへの変換過程で大量の湿気還流感受性の問題が発生する。つまり、より高い無鉛プロセス温度では、吸湿プラスチックパッケージデバイスは還流中に内部または基板の層状クラックを経験するが、一般的なPCBは無鉛プロセスの高温で爆発することが多い。このとき、走査音響顕微鏡は多層高密度PCBの非破壊検出における特別な利点を明らかにした。通常、外観の目視検査でのみ明らかな破裂が検出される。

5.マイクロ赤外分析マイクロ赤外分析は赤外スペクトルと顕微鏡を結合する分析方法である。それは異なる材料（主に有機物）の赤外スペクトルに対する異なる吸収原理を利用して材料の化合物組成を分析し、顕微鏡と結合して、可視光と赤外光を同じにすることができる。光路は、可視光の視野の中でさえあれば、分析が必要な微量の有機汚染物を見つけることができる。顕微鏡の組み合わせがなければ、赤外スペクトルは通常、大量のサンプルのサンプルしか分析できない。しかし、電子技術の多くの場合、マイクロ汚染はPCBパッドやピンの溶接可能性を低下させることがある。顕微鏡の赤外スペクトルがなければ、プロセス問題を解決するのは難しいことが想像できる。マイクロ赤外線分析の主な目的は、溶接表面または溶接点表面の有機汚染物を分析し、腐食または溶接性が悪い原因を分析することである。

6.走査電子顕微鏡分析走査電子顕微鏡（SEM）は故障分析のための最も有用な大型電子顕微鏡イメージングシステムの1つである。その動作原理は陰極から放出された電子ビームが陽極によって加速され、直径が数十~数千オングストローム(a)の電子ビーム電流を形成し、走査コイルの偏向の下で、電子ビームは一定の時間と空間シーケンスでサンプル表面を点ごとに走査することである。この高エネルギー電子ビームはサンプル表面を衝撃し、様々な情報を刺激し、収集と拡大を経て、ディスプレイから様々な対応する図形を得ることができる。励起された二次電子は試料表面5〜10 nmの範囲で発生した。そのため、二次電子はサンプル表面の形態をよりよく反映することができるので、形態観察に最もよく用いられる、励起された後方散乱電子が試料表面で発生すると、100〜1000 nmの範囲で、物質の原子番号に応じて異なる特性を有する後方反射電子が放出される。そのため、後方散乱電子画像は形態的特徴と原子番号を区別する能力を持っている。したがって、逆散乱された電子画像は化学元素を反映することができる。原料の配分。現在の走査電子顕微鏡は非常に強力な機能を持っている。任意の微細な構造や表面特徴を数十万倍に拡大して観察し分析することができる。

PCBまたは溶接点の故障解析では、SEMは主に故障メカニズムの解析に用いられる。具体的には、パッド表面の地形構造、溶接点の金相組織を観察し、金属間化合物と溶接可能性コーティング分析を測定し、スズひげ分析と測定を行うために使用されます。光学顕微鏡と異なり、走査電子顕微鏡は電子画像を生成するため、白黒画像のみである。走査電子顕微鏡の試料は導電性である必要があり、非導電性である必要があり、一部の半導体は金または炭素を噴霧する必要がある。そうでなければ、サンプル表面電荷の蓄積はサンプルの観察に影響する。また、走査電子顕微鏡画像の視野深度は光学顕微鏡よりはるかに大きく、金相組織、ミクロ断裂、スズひげなどの不均一サンプルの重要な分析方法である。

七、X線エネルギースペクトル分析上記走査電子顕微鏡は一般的にX線エネルギースペクトル計を備えている。高エネルギー電子ビームが試料表面に衝突すると、表面材料原子中の内部電子が衝撃されて逃げてしまう。外層電子が低いエネルギー準位に遷移すると、特徴X線が励起され、これは異なる元素の異なる原子準位の特徴である。X線は違います。したがって、サンプルから放出される特徴的なX線を化学成分として分析することができる。同時に、X線信号を特徴波長または特徴エネルギーとして検出することにより、対応する機器は分光分散分光計（分光計、WDSと略記）とエネルギー分散分光計と呼ばれ、分光計の分解能はエネルギー分光計より高く、エネルギー分光計の分析速度は分光計より速い。エネルギースペクトル計の速度が速く、コストが低いため、一般的な走査電子顕微鏡はエネルギースペクトル計として配置されている。

電子ビームの異なる走査方法により、エネルギースペクトル計は表面点分析、線分析、表面分析を行うことができ、元素の異なる分布の情報を得ることができる。ポイント解析はポイントのすべての要素を取得します。線解析指定された線を1回ずつ要素解析し、すべての要素の線分布を得るために複数回スキャンします。表面解析解析表面内のすべての要素を指定し、測定された要素の含有量は測定領域の平均値である

PCBの分析では、エネルギースペクトル計は主にパッド表面の成分分析、およびパッドと溶接性の悪いピン表面汚染物の元素分析に用いられる。エネルギースペクトル計の定量分析の正確性は限られており、含有量は0.1%未満では通常検出が容易ではない。エネルギースペクトルと走査電子顕微鏡の併用により、表面の形態と成分に関する情報を同時に得ることができ、これが広く使用されている理由である。

8.光電子分光法（XPS）試料がX線照射を受けると、表面原子の内殻電子は原子核の結合から離脱し、固体表面から脱出して電子を形成する。運動エネルギーExを測定することにより、原子の内殻電子の結合エネルギーEbを得ることができる。電子シェルによって異なります。それは原子の「指紋」識別パラメータであり、得られたスペクトルは光電子エネルギースペクトル（XPS）である。XPSは、試料表面の浅い表面（数ナノメートル）上の元素の定性的および定量的分析に使用することができる。また、結合エネルギーの化学シフトに基づいて、元素の化学原子価状態の情報を得ることもできます。表層原子価状態と周囲元素の結合情報を与えることができます。入射ビームはX線光子ビームであるため、分析サンプルを損傷することなく絶縁サンプル分析を行い、高速多元分析を行うことができる、アルゴンイオンのスプリットの場合にも使用できます。多層上で縦方向元素分布分析を行い（以下の場合を参照）、エネルギースペクトル（EDS）よりも感度が高い。XPSは主にパッドのコーティング品質、汚染物の分析及びPCB分析における酸化の程度を分析し、溶接性が悪い深層原因を確定するために用いられる。

九、熱分析示差走査熱量法（示差走査熱量計）：プログラム温度制御下で入力材料と参照材料との電力差及び温度（又は時間）関係を測定する方法。DSCは試料と参照容器の下に2組の補償加熱ワイヤを備えている。試料と参照物が加熱中に熱効果により温度差が発生する場合、差分熱増幅器回路と差分熱補償増幅器を使用して、補償熱線に流入する電流を変化させ、両側の熱を平衡させ、温度差を消失させ、そして温度（または時間）変化関係を用いて試料と参照物の下で2回の電気加熱補償の加熱電力の差を記録し、この変化関係に基づいて材料の物理、化学、熱力学特性を研究、分析することができる。DSCは広く応用されているが、PCB分析では、主にPCBに用いられる様々なポリマー材料の硬化度（例えば、図2）及びガラス転移温度を測定するために用いられる。この2つのパラメータは、後続のプロセスにおけるPCBを決定する。信頼性

熱機械分析器（TMA）：熱機械分析技術（Thermal Mechanical Analysis）は、プログラム温度制御下で熱または機械力による固体、液体、ゲルの変形性能を測定するために使用される。一般的なロード方法には、圧縮、針の挿入、引張、曲げなどがあります。テストプローブはカンチレバー梁とそれに固定されたコイルばねによって支持され、モータを介してサンプルに負荷をかけます。サンプルが変形すると、差動変圧器はこの変化を検出し、温度、応力、ひずみなどのデータと一緒に処理します。無視できる荷重での材料の変形と温度（または時間）との関係を得ることができる。変形と温度（または時間）の関係に基づいて、材料の物理的、化学的、熱力学的性質を研究し、分析することができる。TMAは広く応用されている。それは主にPCB分析におけるPCBの2つの最も重要なパラメータ：その線膨張係数とガラス転移温度を測定する。基板膨張係数が大きすぎるPCBは、溶接や組立後に金属化孔の破壊を招くことが多い。

PCBの高密度発展傾向と鉛フリーハロゲンフリーの環境保護要求のため、ますます多くのPCBは濡れ性が悪く、ひび割れ、階層化、CAFなどの各種故障問題が存在する。これらの分析技術の実際の事例における応用を紹介する。PCBの故障メカニズムと原因を理解することは、将来のPCBの品質制御に有利であり、類似問題の再発を避けることができる。