如何识别常见的电子元件故障

Ansys的成员可靠性工程服务小组在显微镜下寻找故障机制。

故障分析是识别并通常试图减轻故障根源的过程。在电子工业中，故障分析包括在收集更详细的数据以调查哪个组件或电路板位置功能不正常之前，将故障隔离到印刷电路板组件(PCBA)上的某个位置。

PCBA上的电子设备通常会在以下三个地方发生故障:

1. 在组件内
2. 在元件和电路板之间的互连处(通常是焊点)
3. 在印刷电路板内本身

常见电子元件级故障

元器件级电子故障是指发生在焊接到印刷电路板上的电子元器件内部的故障。通常，当故障被隔离到特定的电子元件时，进一步的电气特性-例如比较曲线跟踪-可以用来将故障隔离到特定的引脚。当故障位于具有大量I/O引脚的组件上时，这一点至关重要。下面将讨论一些最常见的组件级故障和用于识别它们的故障分析技术。

断线和脱线

导线键是连接集成电路芯片和引线的小导线。它们又薄又易碎，在机械应力下会断裂。最常用的失效分析技术是x射线显微镜。在大多数情况下，集成电路内部结构的x射线图像足以确认或消除线键断裂作为故障机制。声学显微镜也可以收集数据，当钢丝粘结断裂是一个可疑的失效机制。因为它可以识别样本内的气隙，它可以发现爆米花开裂的证据，这可能会破坏金属丝的连接。

类似的失效机制是钢丝键的脱落，钢球键在钢丝和模具之间的金属间连接处断裂，并从键垫上脱落。这通常是由于粘接过程中的问题造成的。几种失效分析选项可以识别和确定线键脱落的根本原因。在严重的情况下，可以用x射线显微镜识别钢丝粘结脱落;然而，通常需要横切面来确认。一旦确定了粘结解除是失效机制，进一步分析可以确定粘结解除的原因。最常见的原因是粘合垫上的化学污染或粘合过程中由于不正确的压力而形成的变形球。高质量的横截面可以测量键合的大小和形状，以及金属间连接的厚度。在某些情况下，可能需要从模具上拉出或剪切粘接以检查焊盘表面。键垫表面的扫描电子显微镜(SEM)和能量色散x射线光谱(EDS)可以揭示可能造成键合问题的污染。

分层

元件内部的分层通常是指成型化合物从集成电路的模具或引线框架分离。模具表面的分层会产生潜在的水分进入，从而导致整个模具短路。声学显微镜是一种非破坏性的方法，最常用于识别组件内的分层。当怀疑分层的位置已知时，横切面也可以确认它。

电容器开裂

多层片状电容器(mlcc)在机械弯曲或热冲击下容易开裂。当电容器焊接到的电路板经历过度弯曲时，就会发生弯曲开裂，这可能是在拆板、连接器插入、固定或其他机械事件中引起的。当零件经历突然的、剧烈的温度升高时，例如焊接不当，就会发生热冲击开裂。在任何一种情况下，电容器开裂都可能增加电容器体内(板之间或板与端子之间)短路的风险，从而潜在地导致组件故障。三维x射线和声学显微镜可以识别电容器开裂;然而，通常需要横断面分析来完全确认。横切面和光学显微镜也可以阐明开裂的根本原因。弯曲裂纹通常表现为组件端子的水平和垂直区域之间的对角裂纹，而热冲击裂纹可以以各种形态发生。

模具损坏

死亡伤害可以通过多种方式表现出来。机械或热机械的过度应力会使模具产生物理裂纹，在集成电路中产生开路。这种类型的模具开裂是典型的令人震惊的。可以用声学显微镜、三维x射线显微镜确诊，在一些严重的病例中，还可以用二维x射线显微镜确诊。一旦知道了模具裂纹的位置，横截面分析就可以用来更详细地检查损伤的方向和严重程度。

电气过度应力或静电放电也会造成不同程度的模具损坏。极端的电事件可以引起足够的碳化，用x射线显微镜可以观察到;然而，电模损坏通常要微妙得多。在这些情况下，更专业的模具检测技术是必要的。当怀疑集成电路的电模损坏时，典型的第一步是对元件进行解封装。酸解封装可以去除模具上的化合物，暴露模具表面和金属丝键，从而进行光学检查。如果损伤在表面或活性区域的上层之一，通常可以在脱囊后用光学显微镜或扫描电镜观察到。在较深或非常细微的静电超应力(EOS)或静电放电(ESD)损坏的情况下，必须使用超导量子干涉装置(SQUID)、电应力下的热成像或其他专门技术检查模具，以确定确切的故障位置。

Interconnect-Level失败

互连级故障通常是焊点或引线断裂。了解电子组件的环境条件有助于在开始故障分析之前确定互连级故障的可能性。用于识别最常见形式的组件/板互连故障的实验室技术讨论如下。

焊接疲劳

焊接疲劳主要由于长时间的温度循环而发生。焊料疲劳的主要驱动因素是PCB与引线或元件本体之间的热膨胀不匹配系数。这种效应可以通过注封或组件翘曲，过度振动或增加组件尺寸的拉伸应力来加速。在许多情况下，光学检查或x射线显微镜可以识别这些故障;然而，关节的横截面是确认疲劳破坏最可靠的方法。焊点的质量横截面可以检查是否有裂纹或与焊料持续应力相关的晶粒生长/相粗化的证据。当横截面是不切实际的，例如当有许多引脚的BGA上的失败接头是未知的，染色-撬技术可以识别焊点裂纹。

焊料过分强调

当单个机械事件(如跌落)导致焊点断裂时，焊料就会出现过应力。光学显微镜和横切面鉴定了过度应力裂缝。通常，由机械过度应力引起的焊点裂纹会比由焊料疲劳引起的裂纹有更大的间隙。

导致骨折

铅断裂是一种失效机制，当元件的焊点保持完整，但金属铅本身在电路板和元件本体之间断裂时发生。引线断裂在大型电解电容器和具有薄鸥翼引线的元件上最为普遍，这些元件经历了过度的振动和冲击。光学显微镜可识别铅断裂，机械测试可用于评估电子组件中铅断裂的风险。

常见的板级电子故障

电路板级故障表现在印刷电路板本身或在其内部。它们可以表现为短路或开路，并且根据电路板电气网络和堆叠的复杂性，可能比组件或互连级故障更难定位。

请阅读《成功进行板级可靠性测试的6个步骤》白皮书了解更多信息。

污染引起的电流泄漏

如果电路板没有足够的清洁，在潮湿的环境中，电路板表面可能会发生元件引线或暴露的走线之间的短路。在严重的情况下，这些短板可以用光学显微镜或扫描电镜/能谱仪确认。离子污染分析也可用作电路板鉴定技术，以确定电路板表面的污染水平是否低于行业最低标准。

导电阳极灯丝失效

导电阳极丝(CAF)是金属沿着PCB板层内的纤维迁移而产生的。当CAF发生在两个紧密间隔的镀通孔(PTH)之间时，通常会产生故障。CAF故障通常是由于钻头过度损坏或玻璃/树脂粘合不良造成的，并且潮湿的环境可能会加剧CAF故障。温度/湿度偏置测试可以在现场使用之前确定电子组件的CAF风险。当预期发生CAF故障时，通常使用电气测试来确定受影响的一对或几对。横截面分析和光学显微镜必须确认CAF的存在，并确定金属迁移的根本原因。当根本原因是钻头损坏时，通孔边缘周围会出现明显的大裂缝。在玻璃/树脂粘合不良的情况下，可以在一个或多个层压层的玻璃编织中观察到空心管或空隙。SEM/EDS也可以证实观察到的细丝是金属性质的。

镀通孔疲劳

PTH疲劳通常表现为两种形式之一:当通孔上的镀层本身断裂时，管状裂纹;当PTH枪管与正常连接的痕迹之间的连接断裂时，痕迹开裂。PTH疲劳通常是热循环的结果，因为层压材料在面外方向的膨胀将应力传递到PTH。3D和在严重情况下，2D x射线显微镜可用于识别甲状旁腺病毒骨折;然而，由于甲状旁腺裂纹通常很薄，通常使用横截面分析和x射线显微镜来确认。

垫坑和痕迹断裂

垫坑和痕迹断裂是与过度应力事件相关的故障，如跌落和其他冲击。焊盘凹坑是一种主要发生在BGA焊点下的故障。当机械应力导致球垫开始从板上脱落，在球垫下面的层压板上形成一个陨石坑状的裂缝结构时，就会发生这种情况。3D x射线，染色-探针分析，横截面分析，或者在非常严重的情况下，简单的光学检查可以用来识别BGA衬垫下是否存在衬垫坑。

垫地环形山常伴有微量裂缝。当管线与球垫之间的应力集中界面处出现细线断裂时，就会发生微量裂缝。痕迹断裂也可以独立于电路板其他区域的焊盘凹坑而出现，通常是在应力集中的情况下，例如当布线的薄区域以一定角度旋转或连接到大型焊盘时。微小的裂缝很难定位。对PCBA内部电气网络的全面了解，以及对施加在PCBA上的机械载荷的一般概念，对于在疑似断裂是故障机制的情况下，甚至制定关于位置的假设都是必要的。在大多数情况下，x射线显微镜可以确认微量裂缝的存在，但这通常是一项耗时的工作，因为它需要在高倍镜下对感兴趣的网络进行彻底扫描。

电子产品设计和开发的复杂性

某些产品设计选择可能使故障隔离极其困难。灌封、底盘和固定装置会在视觉上模糊，并在物理上限制对组件区域的访问，从而禁止电气表征或光学检查。含有大量金属的组件会隐藏感兴趣的区域，从而妨碍x射线的有用性。组件包含非常硬和非常软的材料(例如，氧化铝和焊料)可以使质量横截面困难。在这些和其他独特的情况下，必须使用环境，PCBA特性和电子元件类型的知识来开发关于哪些组件，焊点或电路板区域可能失效的理论，并且可能需要采用创造性技术来充分确认失效的根本原因。

Ansys为我们的根本原因分析服务提供了一种多学科的方法，可以有效地识别问题的起源，无论它是发生在现场，在测试中还是在制造过程中涉及质量损失。参观可靠性工程服务网页我们的网站要求报价和了解更多。