1.3.4 焊点失效分析技术

本小节重点介绍10余项用于焊点失效分析的常规分析技术，包括外观检查、X射线透视检查、金相切片分析、扫描声学显微镜、红外热相分析、显微红外分析、扫描电子显微镜分析、X射线能谱分析、染色与渗透技术、光电子能谱、热分析及离子色谱等。其中金相切片分析、染色与渗透技术和热分析属于破坏性的分析技术，一旦使用了这种技术，样品就破坏而无法恢复。另外，由于制样的要求，可能扫描电子显微镜分析和X射线能谱分析有时也需要部分破坏样品，因此，在进行分析时要注意使用方法的先后顺序。

1.外观检查

外观检查就是不利用或利用一些简单仪器，如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查焊点的外观，寻找失效的焊点或焊点失效的部位。其主要作用就是失效定位和初步判断焊点的失效模式。外观检查主要检查焊点的润湿角、失效的位置、焊点表面的颜色以及失效焊点的规律性，如是批次的还是个别的，是否总是集中在某个区域等。外观检查可以得到丰富而直接的信息，比如，如果焊料润湿焊盘的润湿角大于90°，则说明PCB的焊盘可能有可焊性不良的问题；如果焊料对元器件的引脚的润湿角大于90°，则说明引脚可能存在可焊性不良的问题；如果焊料对引脚与焊盘的润湿角均大于90°，则可能助焊剂有质量问题或是焊料与焊接温度存在问题。此外，如果总是某个引脚的焊点不良，就应该抽查该元器件的问题。如果总是某个位置的焊点开裂，就看看开裂焊点周围是否容易引入过大的外部应力，如近距离的螺钉安装等。总之，外观检查是一门简单而高超的学问，好比一个有经验的老中医，看看脸色、把把脉就能判断一个病人所患的疾病。如果我们的工艺工程师有足够的经验，从外观检查往往就可以找到工艺改进的依据，而不再需要后续复杂的分析程序了，这对于及时调整或改进工艺参数或物料有极大的好处。

外观检查所使用的工具可以很简单，一般的放大镜、立体显微镜或金相显微镜就可以完成这一任务。一般的放大镜只能放大8～10倍，如果是立体显微镜则可以放大几倍到上百倍，可以更清楚地看到需要观察的部位。而金相显微镜可以放大几十倍到上千倍，但是金相显微镜的景深小，对于凹凸不平的表面常常不能同时看清楚目标。因此，要根据目标物来选取适合的工具。典型案例如图1.28所示。

2.X射线透视检查

对于某些通过外观检查检查不到的部位以及焊点的内部和通孔内部，只好使用X射线透视设备来检查。X射线透视设备利用不同材料厚度或不同材料密度对X射线的吸收率或透过率不同的原理来成像，用来检查焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷、高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位，同时还可以用来检查PCB内部的结构缺陷等。目前的工业X射线透视设备的分辨率可以超过1μm，并正由二维向三维成像的设备转变，甚至已经有三维（3D）成像的设备用于封装的检查，但是这种3D的X射线透视设备非常贵重，没有在工业界得到普遍的应用，而在专门的研究机构或实验室中使用。

图1.29是X射线检查焊点孔洞的例子，图1.30是X射线检查焊点虚焊的例子。其中虚焊的检查是通过一定的原理分析出来的，当倾斜一定角度来观察BGA样品的时候，焊接良好的焊料球由于会发生二次坍塌而不再是一个球形的投影（一个圆形），而应该是一个拖尾的形状，如果焊接后的BGA焊料球的X射线投影仍然是一个圆形，则说明这个焊料球根本没有发生焊接而坍塌，这样就可以推定该焊点是虚的或是开路的结构。图1.30的例子中还有4个没有标识的焊点有类似的虚焊问题。所以，使用好X射线透视技术还需要有相关的焊接基础知识和实践经验，很少有通过X射线（2D）可以直接观测到导致开路的裂缝的情况出现。但是，如果焊点的投影异常，即该焊点的X射线图像与其他相同焊点的不一样，则问题往往就在这个异常形貌的焊点上，这时需要通过其他技术手段来做进一步分析。

随着X射线透视技术的快速发展，3D的X射线检测技术（工业CT）在电子封装领域得到了越来越广泛的应用。图1.31 是作者实验室3D X射线透视分析BGA焊点虚焊与通孔断路的典型案例。可见X射线透视分析技术与计算技术的完美结合可以得到分辨率更高、功能更强大的3D透视分析技术，焊点或互连缺陷的检测将更为便捷高效。

3.金相切片分析

金相切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段获得焊点横截面的金相结构的过程。通过金相切片分析可以得到反映焊点质量的微观结构的丰富信息，为下一步的质量改进提供很好的依据。但该方法是破坏性的，一旦进行了切片，样品就必然遭到破坏；同时该方法制样要求高，需要训练有素的技术人员来完成；另外，制样耗时较长。若需了解详细的切片作业过程，可以参考IPC的标准IPC-TM-650 2.1.1和IPC-MS-810规定的流程。其主要的分析过程概述如下。

首先是取样。取样就是将需要切片的焊点或对象从PCBA上切割下来，备下一步的镶嵌使用。取样过程中特别需要注意的是，要使用专门的切割工具，如慢锯、激光切割等，总之不能使用过于剧烈的取样方法，更不能使用大剪钳，这样会导致焊点损伤或破坏要分析的现场。至少保持切割的部位与要分析的焊点有2.54mm的间距。取样的基本原则是不能造成要分析目标的破坏，或者引入新的失效模式。

其次是镶嵌，实际上就是将取得的样品置于加固化剂调制好的环氧树脂（或水晶胶）中，让环氧树脂渗透到每一个缝隙内，将样品固定并保护起来，以便接下来的切片及抛磨工序。基本步骤是，首先需将上一步取得的样品用溶剂清洗干净，去除边缘的毛刺以便于环氧树脂的浸润和渗透，避免固化后在环氧树脂与样品之间留有缝隙，影响抛磨及观察的效果。然后，用固定环将样品垂直固定于模具中，小心加入调整好固化剂的环氧树脂，置于真空环境消除其中的气泡和缝隙，再按照环氧树脂需要的固化条件进行固化，最好的效果是在室温下缓慢固化，避免固化后环氧树脂与样品之间有缝隙而影响切片的制作。

等环氧树脂完全固化后，就是切片了，即将固化好的样品依要观察面平行用锯切割，获得离观察面较近的剖面，以利于后续抛磨。到了抛磨阶段就是细致的工作了，从粗磨到细磨就要分别使用200目、400目直到1200目甚至更高目数的砂纸，每一道工序都要将样品转动90°并磨至上一道工序的划痕消失。磨完后还要使用不同规格的抛光布和抛光膏进行抛光，每道工序结束后都需要超声波清洗，直到获得的金相结构清晰没有划痕为止。抛光完成后的下一道工序是腐蚀，即使用适当的腐蚀液清洗金相界面，以便清洗后可以更好地观测金属间化合物的生长状况以及缝隙与裂纹的状况。对于不同的合金界面，使用不同的腐蚀液配方，对于铜合金，一般使用1∶1的氨水（25%～30%）与过氧化氢（3%～5%）的混合溶液。腐蚀的目的是将金属间化合物和其他金相结构更好、更清晰地展示出来，同时避免原有的缝隙被软的金属堵住，造成没有缝隙的假象。

最后就是使用专门的金相显微镜对获得的金相切片进行观察和分析。

图1.32是一个金相切片分析案例，根据该切片结果可以得到焊点缺陷产生的根本原因，即回流不充分，导致焊料与焊盘之间的金属间化合物太薄且不连续，引起焊点强度不够，稍受应力即开裂。焊料球上面空洞的存在也证明了这一判断的正确性。改进的措施很简单，就是增加回流温度或延长回流时间。

4.扫描声学显微镜

扫描声学显微镜技术在工艺研究以及塑封器件的失效分析方面是一个极其常用的技术手段，它的基本原理就是利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的振幅及位相与极性变化来成像，目前用于电子封装或组装分析的主要是C模式的扫描方式，即沿着Z轴扫描X-Y平面的信息（见图1.33），有时也可以使用A模式来进一步确认这些缺陷信息。因此，扫描声学显微镜可以用来检测元器件、材料及PCB与PCBA内部的各种缺陷，包括裂纹、分层、夹杂物及空洞等。如果扫描声学显微镜的频率宽度足够，则可以直接检测到焊点的内部缺陷。典型的扫描声学的图像是以红色警示色表示缺陷存在的，如图1.34所示。

由于大量塑料封装的元器件使用在SMT工艺中，在由有铅转换成无铅工艺的过程中，产生大量的潮湿回流敏感问题，即吸湿的塑封器件会在更高的无铅工艺温度下回流时出现内部分层开裂现象。在无铅工艺的高温下，普通的PCB也会常常出现爆板现象，特别是埋置散热金属块的高频高速电路板。此时，扫描声学显微镜就凸显其无损探伤方面的特别优势。

5.红外热相分析

利用红外测温原理，测试样品在工作状态时的表面温度分布，再形成相图，即所谓的热相图。红外热相分析就是分析热相图，通过对照正常的良品或理论值与异常品的热相差异，就可以获得故障点的区域，故红外热相分析主要用于模块与组件的故障定位，也常常用于热设计验证。当PCBA或模块的电路很复杂，不易找到故障点时，红外热相的故障定位就非常有效了。因为我们知道，温度过高或过低部位的焊点或互连点往往是虚焊或开路的部位，将问题样品与正常样品的热相图进行比较，往往可以找出缺陷位置。但如果PCBA或模块不能加电或不能处于工作状态，则无法进行红外热相分析。图1.35是红外热相分析一个电路模块的案例，发现两条并列的导线工作时的温度不同，结果证实高温的一条（127℃）的绑定存在连接不良的问题，导致电阻增大而引起高温。

6.显微红外分析

显微红外分析就是将红外光谱与显微镜结合在一起的分析方法，它利用不同材料（主要是有机物）对红外光谱不同吸收率的原理，分析鉴别材料的化合物成分；再利用显微镜使可见光与红外光同光路，只要在可见的视场下，就可以分析微量的有机污染物。这种方法可以较好地对原位微少样品直接进行分析而无须特殊制样。如果没有显微镜的配合，则通常红外光谱只能分析样品量较多的情况。而工艺中很多情况是微量污染就可以导致焊盘或引脚的可焊性不良，也可以导致连接器的接触不良。可以想象，没有显微镜配套的红外光谱是很难解决工艺问题和产品因有机污染而导致的问题的。显微红外分析的主要用途就是分析被焊面或焊点表面的有机污染物，目的是查找导致腐蚀或可焊性不良的原因。图1.36是显微红外分析PCBA上污染物来源的案例，该案例中PCBA局部区域有异物，引起了电气连接不良，显微红外分析发现，该污染物与组装PCBA使用焊锡膏中的助焊剂残留物具有一致的红外光谱，即在指纹区（400～1600cm-1）的红外吸收基本吻合，因此可以确认导致电气不良的残留物来自焊锡膏中的助焊剂残留。另外，显微红外分析还可以用于组件上金手指、接插件或继电器触点接触不良的分析，分析触点表面有机异物的成分并查找其来源。

7.扫描电子显微镜分析

扫描电子显微镜（SEM）是进行失效分析的一种非常有用的大型电子显微成像系统，其工作原理是利用阴极发射的电子束经阳极加速，再经由磁透镜聚焦后形成一束直径为几十至几千埃（Å）的电子束，在扫描线圈的偏转作用下，电子束以一定的时间和空间顺序在样品表面做逐点式扫描运动，这束高能电子束轰击到样品表面上会激发出多种信息，经过收集放大就能从显示屏上得到各种相应的图形。激发的二次电子产生于样品表面5～10nm范围内，因此，二次电子能够较好地反映样品表面的形貌，所以最常用于形貌观察；而激发的背散射电子产生于样品表面100～1000nm范围内，随着物质原子序数的不同而发射不同特征的背散射电子，因此背散射电子图像具有形貌特征和原子序数判别的能力，背散射电子图像可反映化学元素成分的分布。现在的扫描电子显微镜的功能已经很强大，任何精细结构或表面特征均可放大到几十万倍进行观察与分析。图1.37是SEM的原理图。

在焊点或互连的失效分析方面，SEM主要用来做失效机理的分析，具体说就是用来观察焊点金相组织，测量金属间化合物，进行断口分析、可焊性镀层分析以及锡须分析测量。

与光学显微镜不同，SEM所成的是电子图像，因此只有黑白两色；并且SEM的样品要求导电，对非导体和部分半导体需要进行喷金或喷碳处理，否则SEM电荷聚集在样品表面就会影响对样品的观察。此外，其图像景深远远大于光学显微镜的，它是金相结构、显微断口以及锡须分析的重要方法。

图1.38、图1.39是SEM的应用举例，其中图1.39（左）是用SEM检查到镀纯锡的元器件引脚表面生长了锡须；而图1.39（右）是使用SEM观察到了焊盘镍镀层表面存在明显的腐蚀现象，这种腐蚀很可能会导致在此焊盘进行的焊接不良。

8.X射线能谱分析

上面所说的SEM一般都配有X射线能谱仪。当高能的电子束撞击样品表面时，表面物质的原子中的内层电子被轰击逸出，外层电子向低能级跃迁时就会激发出特征X射线，不同元素的原子能级差不同，所发射的特征X射线就不同，因此，可以将样品发出的特征X射线作为化学元素成分分析。X射线能谱分析原理如图1.40所示。同时按照检测X射线的信号为特征波长或特征能量，又将相应的仪器分别称为波谱分散谱仪（简称波谱仪，WDS）和能量分散谱仪（简称能谱仪，EDS），波谱仪的分辨率比能谱仪的高，能谱仪的分析速度比波谱仪的快。由于能谱仪的速度快且成本低，所以一般的SEM配置的都是能谱仪。

电子束的扫描方式不同，能谱仪可以进行表面的点分析、线分析和面分析，可得到元素不同分布的信息。点分析得到一点的所有元素；线分析每次对指定的一条线做一种元素分析，多次扫描得到所有元素的线分布；面分析是指对一个指定面内的所有元素进行分析，测得的元素含量是测量面范围的平均值。

在焊点的分析上，能谱仪主要用于焊点金相组织成分分析、可焊性不良的焊盘与引脚表面污染物的元素分析。能谱仪的定量分析的准确度有限，低于0.1%的含量一般不易检出。能谱仪与SEM结合使用可以同时获得表面形貌与成分的信息，这是它们应用广泛的原因。

图1.41是先用SEM观察分析柔性电路板焊盘横截面开裂处，然后再用EDS分析镍镀层成分的案例，可以发现，化学镍镀层中的磷含量偏高，导致镍镀层的硬度增大，易脆。因此，在柔性电路板弯折的时候容易开裂，这样就找到了焊盘开裂的主要原因。

9.染色与渗透技术

对于BGA类型的焊点裂纹，一般的显微镜以及X射线透视都无法检测到，即使切片也不知从哪里切起，这时就用到了染色与渗透技术（Dye&Pry）。这是一种简单实用的焊点缺陷定位技术，可惜它是破坏性的，但可以得到裂纹或空洞分布以及裂纹开裂界面的重要信息。其基本原理与方法是，通过将PCBA样品置于红色的染色液（或红墨水）中，让染色液充分渗透到有裂纹或孔洞的地方，取出干燥后强力垂直剥离已经焊上的元器件，其引脚与焊盘将从有裂纹或孔洞等薄弱界面分离，元器件分离后发现被染红的焊点界面将指示该处在强行剥离前存在缺陷，即焊点缺陷部位被检测到。

通过这一方法，首先可以检测失效或缺陷焊点的分布，确定开裂的有问题的焊点集中在哪些区域，这对改进工艺非常有帮助，同时也可以为金相切片定准位置。其次，在强行剥离元器件后，被染色的开裂界面就是事前存在的缺陷，仔细观察开裂界面，就可以判断是工艺存在问题、PCB质量问题，还是元器件的问题。这对下一步的工艺改进也是非常有价值的。染色法检测到焊点的失效或缺陷信息可以用面阵图（Mapping）来形象地表示，非常直观。

该分析方法的具体步骤如下。

● 第一步是取样，根据样品的大小，可以是整个PCBA或是要测试的局部，如果是局部，则需要用慢锯或相当的工具小心切割，以避免损伤到焊点。

● 第二步是使用化学溶剂清洗样品表面和焊点周围的残留物，以避免残留物堵塞缝隙，让染色液更容易渗透。

● 第三步是染色，就是将样品置于染色液中，然后移到真空区域，使染色液更好地渗透。

● 第四步是干燥，将样品从染色液中取出，置于真空干燥烘箱中，使染色液干燥，保持染色区域便于下一步检查。

● 第五步是垂直分离器件与PCB，先稍稍扭曲PCBA，然后用L形工具撬开元器件，使元器件与PCB垂直分离，并保护好分离的界面。

● 最后一步是检查与记录，使用显微镜观察染色的区域，并检查焊点分离的界面，也就是记录焊点的开裂失效模式，用Mapping图表示。

图1.42～图1.44是染色与渗透分析方法应用的案例。

开裂面积与开裂模式的分类见表1.12。

10.光电子能谱（XPS）

样品受X射线照射时，表面原子的内壳层电子会脱离原子核的束缚而逸出固体表面形成电子，测量其动能E_x，可得到原子的内壳层电子的结合能E_b，E_b因不同元素和不同电子壳层而异，它是原子的“指纹”标识参数，形成的谱线即为光电子能谱（XPS）。XPS可以用来进行样品表面浅表面（几纳米）的元素定性和定量分析。此外，还可根据结合能的化学位移，获得有关元素化学价态的信息，如图1.45所示，锡的化学位移发生了变化，这说明锡已经发生了氧化。XPS能给出表面层原子价态与周围元素键合等信息；入射束为X射线光子束，因此可进行绝缘样品分析、不损伤被分析样品快速多元素分析；还可以在氩离子剥离的情况下对多层进行纵向的元素分布分析（见图1.46），图1.46中的横坐标显示的是氩离子刻蚀时间，对应的其实就是镀层的深度；XPS的灵敏度远比EDS的高，可惜的是XPS设备比较昂贵，不如EDS应用广泛。XPS在PCB或PCBA的分析方面主要用于焊盘镀层质量分析、污染物分析和氧化程度分析，以确定可焊性不良的深层次原因。

11.热分析

常规的热分析主要包括差示扫描量热（DSC）、热机械分析（TMA）和热重分析（TGA）以及动态热机械分析（DMA）。下面只介绍前面三种组件失效分析常用的热分析技术。

1）差示扫描量热（DSC）

差示扫描量热（Differential Scanning Calorimetry）是在程序控温下，测量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度（或时间）关系的一种方法。DSC在样品和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当样品在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT时，可通过差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，而使两边热量平衡，温差ΔT消失，并记录样品和参比物下电热补偿的热功率之差随温度（或时间）的变化关系，根据这种变化关系，研究分析材料的物理化学及热力学性能。DSC的应用广泛，但在PCB或组件的分析方面主要用于测量PCB上所用的各种高分子材料或封装材料的固化程度（见图1.47）、玻璃态转化温度（T_g），这两个参数决定PCB在后续工艺过程中的可靠性。连续测量封装材料的DSC热谱曲线，如果两次获得的T_g差异过大，则通常说明该材料的固化不完全。这种固化不完全的材料在工艺中或在后续的产品高温使用环境中会发生物理化学变化而不稳定，严重的会发生开裂分层以及耐化学溶剂差等质量和可靠性问题。

2）热机械分析（TMA）

热机械分析（Thermal Mechanical Analysis）用于程序控温下，测量固体、液体和凝胶在热或机械力作用下的形变性能，常用的负荷方式有压缩、针入、拉伸、弯曲等。测试探头由固定在其上面的悬臂梁和螺旋弹簧支撑，通过电动机对样品施加载荷，当样品发生形变时，差动变压器检测到此变化，并连同温度、应力和应变等数据进行处理后可得到物质在可忽略负荷下形变与温度（或时间）的关系。根据形变与温度（或时间）的关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。TMA的应用广泛，在PCBA的分析方面主要用于测量PCB最关键的两个参数：膨胀系数和玻璃态转化温度（见图1.48）。膨胀系数过大的基材的PCB在焊接组装后常常会导致金属化孔的断裂失效。

3）热重分析（TGA）

热重分析（Thermogravimetry Analysis）是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系的一种方法。TGA通过精密的电子天秤可监测物质在程控变温过程中发生的细微的质量变化。根据物质质量随温度（或时间）的变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能，TGA在研究化学反应或物质定性定量分析方面有广泛的应用。在PCBA的分析方面，主要用于测量PCB材料的热稳定性或热分解温度（见图1.49），如果基材的热分解温度太低，则PCB在经过焊接过程的高温时会发生材料分解产生挥发物，引起材料内部压力瞬间增大导致爆板或分层失效现象。分解温度通常定义为样品分解失重达5%时对应的温度。此外，TGA对于工艺材料和封装材料的选择是一种非常重要的技术手段。

12.离子色谱（IC）

离子色谱是高效液相色谱的一种，故又称为高效离子色谱（HPIC）或现代离子色谱。离子色谱是指利用混合物中组分离子在流动相和固定相间分配系数的差别，当离子在两相间做相对移动时，各离子在两相间进行多次分配从而使各组分离子得到分离，然后通过电导或紫外等检测器进行离子的定性定量分析。结果用色谱图表示，色谱图是指被分离组分的检测信号随时间分布的图像，典型的阴离子色谱图如图1.50所示，横坐标是各组分离子流出色谱柱的时间，即保留时间或停留时间。离子色谱的主要操作流程或详细的分析方法可以参考IPC标准（IPC-TM-650 2.3.28）或有关专著。离子色谱在PCBA失效分析方面主要是用于分析板面的离子残留量及其种类，腐蚀性的离子残留过多往往就是PCBA产生腐蚀或漏电的根本原因，再结合发生腐蚀部位的外观和颜色即可做出准确的判断。