文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文簡述了PCB、電子元器件、金屬、高分子材料復(fù)合材料和涂層鍍層的失效分析。

在電子封裝領(lǐng)域，各類材料因特性與應(yīng)用場景不同，失效模式和分析檢測方法也各有差異。

PCB/PCBA 失效分析

印刷電路板（PCB）作為電子信息產(chǎn)品中承載元器件、傳輸電路信號的核心載體，其質(zhì)量優(yōu)劣與可靠性高低，直接關(guān)乎整機(jī)設(shè)備的性能表現(xiàn)。PCB 常見的失效模式豐富多樣，涵蓋爆板、分層、短路、起泡、焊接缺陷以及腐蝕遷移等多種類型。

在 PCB 失效檢測技術(shù)體系中，無損檢測占據(jù)重要地位。X 射線透視、三維 CT 掃描、掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM）及紅外熱成像等技術(shù)，無需破壞樣品，便能精準(zhǔn)展現(xiàn) PCB 內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，有效識別隱藏缺陷。表面元素剖析則依賴掃描電鏡 - 能譜儀（SEM/EDS）、顯微紅外光譜儀（FTIR）、俄歇電子能譜儀（AES）、X 射線光電子能譜儀（XPS）、飛行時間二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）等設(shè)備，深入解析材料表面的元素構(gòu)成與化學(xué)狀態(tài)。熱性能研究通過差示掃描量熱法（DSC）、熱機(jī)械分析（TMA）、熱重分析（TGA）、動態(tài)熱機(jī)械分析（DMA），配合穩(wěn)態(tài)熱流法與激光散射法測定熱導(dǎo)率，探究材料在不同溫度下的性能變化規(guī)律。電性能測試涵蓋擊穿電壓、耐電壓、介電常數(shù)及電遷移測試等項目，全面評估 PCB 的電氣性能表現(xiàn)。而染色滲透檢測作為破壞性檢測手段，能夠進(jìn)一步揭示材料內(nèi)部的細(xì)微缺陷。

電子元器件失效分析

電子元器件的可靠性研究致力于通過多元技術(shù)手段，提升其在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性能。在服役過程中，元器件易出現(xiàn)開路、短路、漏電、功能失效、電參數(shù)波動及性能不穩(wěn)定等故障。

在失效檢測流程里，電學(xué)性能檢測是關(guān)鍵的初始環(huán)節(jié)。通過連接性測試、電參數(shù)精確測量和功能完整性測試，可快速判斷元器件的電氣功能是否正常。無損檢測借助機(jī)械開封、化學(xué)開封、激光開封等技術(shù)，結(jié)合化學(xué)腐蝕、等離子腐蝕、機(jī)械研磨等去鈍化層方法，以及聚焦離子束（FIB）、芯片探針（CP）等微區(qū)分析技術(shù)，實現(xiàn)對元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)觀察。制樣技術(shù)為后續(xù)分析提供標(biāo)準(zhǔn)樣本；光學(xué)顯微技術(shù)與掃描電子顯微鏡二次電子成像技術(shù)，從微觀層面呈現(xiàn)元器件的表面形貌特征。表面元素分析運(yùn)用掃描電鏡 - 能譜儀（SEM/EDS）、俄歇電子能譜儀（AES）、X 射線光電子能譜儀（XPS）、二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）等先進(jìn)工具，準(zhǔn)確測定元器件表面的元素成分。此外，X 射線透視、三維成像及反射式掃描聲學(xué)顯微技術(shù)（C-SAM）等無損檢測方式，能夠有效探測元器件內(nèi)部的缺陷隱患。

金屬材料失效分析

金屬封裝材料的失效誘因繁雜，涉及多個方面，常見的失效模式包括設(shè)計不合理、材料本身存在缺陷、鑄造工藝出現(xiàn)問題、焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)以及熱處理操作不當(dāng)?shù)惹闆r 。這些失效問題會對金屬封裝材料的性能與可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

為了準(zhǔn)確找出金屬材料失效的根本原因，需要綜合運(yùn)用多種檢測手段。在微觀組織分析方面，借助金相分析、X 射線相結(jié)構(gòu)分析、表面殘余應(yīng)力分析以及晶粒度檢測等方法，深入研究金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，探尋結(jié)構(gòu)變化與失效之間的關(guān)聯(lián) 。成分分析依賴直讀光譜儀、X 射線光電子能譜儀（XPS）、俄歇電子能譜儀（AES）等專業(yè)設(shè)備，對材料的化學(xué)成分進(jìn)行精確測定。X 射線衍射儀（XRD）則在物相分析中發(fā)揮關(guān)鍵作用，用于確定材料中具體的物相組成。通過 X 射線應(yīng)力測定儀開展殘余應(yīng)力分析，能夠檢測材料內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)。此外，利用萬能試驗機(jī)、沖擊試驗機(jī)、硬度試驗機(jī)等設(shè)備進(jìn)行機(jī)械性能測試，可全面評估材料的各項力學(xué)性能指標(biāo)，為失效分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

高分子材料失效分析

高分子材料作為封裝技術(shù)的重要組成部分，在保障封裝性能方面發(fā)揮著核心作用。但在實際的電子封裝應(yīng)用場景中，高分子材料面臨著較為嚴(yán)峻的失效問題，其失效表現(xiàn)形式多樣，涵蓋斷裂、開裂、分層、腐蝕、起泡、涂層脫落、變色、磨損等多種類型 。這些失效現(xiàn)象不僅會破壞封裝結(jié)構(gòu)的完整性，還可能干擾電子設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，影響設(shè)備的性能與使用壽命。

針對高分子材料的失效檢測，目前已形成了一套全面且豐富的檢測體系。在成分分析領(lǐng)域，傅里葉紅外光譜儀（FTIR）、顯微共焦拉曼（Raman）光譜儀、掃描電鏡及能譜分析（SEM/EDS）、X 射線熒光光譜分析（XRF）等多種先進(jìn)儀器協(xié)同作用，能夠深入剖析材料的化學(xué)成分與分子結(jié)構(gòu) 。熱分析借助差示掃描量熱法（DSC）、熱機(jī)械分析（TMA）、熱重分析（TGA）等技術(shù)，結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱流法、激光散射法測量導(dǎo)熱系數(shù)，系統(tǒng)地研究材料在不同溫度環(huán)境下的性能變化規(guī)律。裂解分析采用裂解氣相色譜 - 質(zhì)譜法、凝膠滲透色譜分析（GPC）、熔融指數(shù)測試（MFR）等方法，探究材料的熱裂解行為以及分子鏈結(jié)構(gòu)特點。斷口分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X 射線能譜儀（EDS），對材料斷裂后的表面形貌和元素分布情況進(jìn)行分析，從而推斷失效的具體原因。此外，借助硬度計、拉伸試驗機(jī)、萬能試驗機(jī)等設(shè)備開展物理性能測試，能夠全面評估高分子材料的力學(xué)性能，為失效分析和材料優(yōu)化提供重要依據(jù)。

復(fù)合材料失效分析

復(fù)合材料由兩種及以上不同性質(zhì)材料復(fù)合而成，憑借高比強(qiáng)度、優(yōu)異韌性和良好環(huán)境適應(yīng)性等顯著優(yōu)勢，在封裝生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。但在實際使用過程中，也會出現(xiàn)斷裂、變色、腐蝕、機(jī)械性能下降等失效現(xiàn)象。

為有效檢測復(fù)合材料失效問題，多種技術(shù)手段綜合運(yùn)用。無損檢測技術(shù)作為重要的初步篩查方法，涵蓋射線檢測技術(shù)（如 X 射線、γ 射線、中子射線檢測）、工業(yè) CT、康普頓背散射成像（CST）技術(shù)、超聲檢測技術(shù)（穿透法、脈沖反射法、串列法）等，可在不破壞樣品的情況下，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷與損傷 。成分分析主要借助 X 射線熒光光譜分析（XRF）等方法，確定材料元素組成 。熱分析采用熱重分析法（TG）、差示掃描量熱法（DSC）、靜態(tài)熱機(jī)械分析法（TMA）等技術(shù)，研究材料熱穩(wěn)定性與熱機(jī)械性能 。對于需要深入觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況，通過金相切片、聚焦離子束（FIB）制樣、離子研磨（CP）制樣等切片分析的破壞性實驗，獲取微觀層面詳細(xì)信息。

涂層 / 鍍層失效分析

涂層 / 鍍層在使用過程中，分層、開裂、腐蝕、起泡、脫落、變色等失效情況較為常見，這些問題會削弱其對基底材料的保護(hù)作用，影響產(chǎn)品外觀與性能。

在檢測手段方面，涂層 / 鍍層的無損檢測、成分分析、熱分析方法與高分子材料檢測存在諸多相似之處。此外，斷口分析利用體式顯微鏡（OM）、掃描電鏡分析（SEM），細(xì)致觀察涂層 / 鍍層斷裂處微觀形貌，深入分析失效機(jī)理 ；通過拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能測試，評估涂層 / 鍍層與基底的結(jié)合強(qiáng)度及自身力學(xué)性能，為失效原因判斷與工藝改進(jìn)提供有力依據(jù)。