pcb板设计之十大失效分析技术（二）

6.扫描电子显微镜分析

扫描电子显微镜（SEM）是用于故障分析的最有用的大型电子显微镜成像系统之一。 其工作原理是利用阴极发射的电子束加速通过阳极，并在磁透镜聚焦后，形成直径为几十至几千埃（A）的电子束。 在扫描线圈的偏转下，电子束以一定的时间和空间顺序在样品表面上执行逐点扫描运动。 这种高能电子束在样品表面上的轰击将激发各种信息。 在收集和放大之后，可以从显示屏获得各种相应的图形。 激发的二次电子在样品表面上产生5-10 nm的范围。 因此，二次电子能更好地反映样品表面的形貌，因此最常用于形貌观察。 激发后的散射电子在样品表面产生。 在100〜1000nm范围内，具有不同特性的背散射电子以不同的原子序数发射。 因此，背向散射电子图像具有形态特征和辨别原子序数的能力。 因此，反向散射电子图像可以反映化学元素。 成分分配。 当前的扫描电子显微镜非常强大，任何精细的结构或表面特征都可以放大到数十万倍用于观察和分析。  

就PCB或焊点失效分析而言，SEM主要用于分析失效机理。 具体而言，它用于观察焊盘表面的形态，焊点的金相结构，并测量金属间化学分析，可焊性涂层分析和锡晶须分析。 与光学显微镜不同，扫描电子显微镜形成电子图像，因此只有黑色和白色，并且扫描电子显微镜的样品需要导电。 非导体和某些半导体需要喷涂金或碳。 否则，样品表面上的电荷积累会影响样品的观察。 另外，SEM图像的景深远大于光学显微镜的景深。 对于不均匀样品，例如金相组织，微裂纹和锡晶须，这是一种重要的分析方法。

7.X射线能谱分析

上述扫描电子显微镜通常配备有X射线能谱仪。 当高能电子束撞击样品表面时，表面材料原子中的内部电子被轰击并逸出。 当外部电子跃迁到低能级时，特征X射线被激发。 不同元素的特性具有不同水平的原子能。  X射线不同，因此可以将样品发出的特征X射线分析为化学成分。 同时，根据检测到的X射线信号作为特征波长或特征能量，相应的仪器称为光谱色散光谱仪（简称为WDS）和能量色散光谱仪（简称为EDS）。 光谱仪的分辨率高于光谱仪，光谱仪的分析速度快于光谱仪。 由于能量谱仪的速度快且成本低，普通SEM配备了能量谱仪。  

利用电子束的不同扫描方法，光谱仪可以执行表面点分析，线分析和表面分析，并且可以获得有关元素不同分布的信息。 点分析可获取点的所有元素； 线分析每次对指定的线执行元素分析，并且多次扫描获得所有元素的线分布； 表面分析会分析指定表面中的所有元素，并且测得的元素含量为测量范围的平均值。  

在PCB的分析中，能量谱仪主要用于焊盘表面的成分分析，以及可焊性较差的焊盘表面和引脚的污染的元素分析。 能量光谱仪的定量分析的准确性是有限的，并且含量低于0.1％通常不易检测。 能量谱和SEM的结合可以同时获得有关表面形貌和组成的信息，这就是为什么它们被广泛使用的原因。  

 8.光电子能谱（XPS）分析

当样品受到X射线照射时，表面原子的内壳上的电子将从核中逸出并从固体中逸出 表面形成电子。 可以得到动能Ex，原子内壳的电子的结合能Eb。  Eb随不同元素和不同电子壳而变化。 它是原子的“指纹”识别参数。 形成的光谱线是光电子能谱（XPS）。  XPS可用于样品表面浅表面（几个纳米）元素的定性和定量分析。 另外，可以基于结合能的化学位移来获得关于元素的化学价的信息。 它可以提供诸如表层和周围元素的原子价之类的信息； 由于入射光束是X射线光子束，因此可以在不损坏被分析样品的情况下进行绝缘样品的分析。 也可以进行快速的多元素分析； 在氩离子剥离的情况下，在多个层上进行了纵向元素分布分析（请参见以下情况），其灵敏度远高于能谱（EDS）。 在PCB的分析中，XPS主要用于分析焊盘涂层的质量，污染的分析和氧化程度的分析，以确定造成不良可焊性的深层原因。

9.热分析差示扫描量热法

：一种在程序的温度控制下测量物质与参考物质之间的功率差与温度（或时间）输入之间关系的方法。  DSC在样品和参比容器下方配备了两组补偿加热丝。 当由于加热样品期间的热效应而在样品和参考之间产生温差ΔT时，可以使用差动热放大电路和差动热补偿放大器。  ，使流入补偿加热丝的电流发生变化。  

为了平衡两侧的热量，温度差ΔT消失，并记录样品下两个电热补偿量与参考之间的热功率差随温度（或时间）的关系。 可以研究和分析材料的物理，化学和热力学性质。  DSC被广泛使用，但是在PCB的分析中，它主要用于测量PCB上使用的各种聚合物材料的固化度和玻璃化转变温度。 这两个参数决定了后续工艺中PCB的可靠性。  

 10.热力学分析仪（TMA）

热力学分析（Thermal Mechanical Analysis）用于在温度控制下测量固体，液体和凝胶对热力或机械力的影响。 程序根据变形性能，常用的载荷方法为压缩，穿透，拉伸，弯曲等。 测试探针由悬臂梁和固定在其上的螺旋弹簧支撑，并且通过电动机将载荷施加到样品上。 当样品变形时，差动变压器会检测到这种变化并利用温度，应力和应变数据对其进行处理。 可以得出，在可忽略的载荷下物质的变形与温度（或时间）有关。 根据变形与温度（或时间）之间的关系，可以研究和分析材料的物理，化学和热力学性质。  TMA被广泛使用。 在PCB分析中，它主要用于PCB的两个最关键参数：测量其线性膨胀系数和玻璃化转变温度。 具有膨胀系数过大的基板的PCB通常会导致在组装焊料后出现金属化孔的故障。  

由于PCB的高密度发展趋势以及无铅和无卤素的环境要求，越来越多的PCB遇到各种故障问题，例如润湿性差，破裂，分层和CAF。 介绍这些分析技术在实际案例中的应用。 了解PCB的失效机理和原因，将有利于将来PCB的质量控制，避免类似问题再次发生。