pcb板設計之十大失效分析技術（二）

6.掃描電子顯微鏡分析

掃(sao)描(miao)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)顯(xian)微鏡(jing)（SEM）是用(yong)(yong)于(yu)故障分(fen)析的(de)(de)最有用(yong)(yong)的(de)(de)大(da)(da)型電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)顯(xian)微鏡(jing)成像(xiang)系統(tong)之一。 其工作(zuo)原理是利用(yong)(yong)陰極(ji)發(fa)射(she)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)加(jia)速通過陽極(ji)，并在(zai)磁透鏡(jing)聚焦(jiao)后(hou)，形成直(zhi)徑(jing)為幾十至(zhi)幾千埃（A）的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)。 在(zai)掃(sao)描(miao)線圈的(de)(de)偏(pian)轉(zhuan)下(xia)，電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)以一定(ding)的(de)(de)時間(jian)和空間(jian)順序(xu)在(zai)樣(yang)品表面(mian)(mian)上執行逐點掃(sao)描(miao)運動。 這種(zhong)(zhong)高能電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)在(zai)樣(yang)品表面(mian)(mian)上的(de)(de)轟擊將激(ji)發(fa)各種(zhong)(zhong)信(xin)息。 在(zai)收集和放大(da)(da)之后(hou)，可以從顯(xian)示(shi)屏獲得(de)各種(zhong)(zhong)相(xiang)應的(de)(de)圖形。 激(ji)發(fa)的(de)(de)二次電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)樣(yang)品表面(mian)(mian)上產生5-10 nm的(de)(de)范圍(wei)。 因此，二次電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)能更好地反映樣(yang)品表面(mian)(mian)的(de)(de)形貌(mao)，因此最常用(yong)(yong)于(yu)形貌(mao)觀察。 激(ji)發(fa)后(hou)的(de)(de)散(san)射(she)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)樣(yang)品表面(mian)(mian)產生。 在(zai)100?1000nm范圍(wei)內，具有不(bu)同(tong)特性的(de)(de)背散(san)射(she)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)以不(bu)同(tong)的(de)(de)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)序(xu)數發(fa)射(she)。 因此，背向散(san)射(she)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)圖像(xiang)具有形態特征和辨(bian)別原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)序(xu)數的(de)(de)能力。 因此，反向散(san)射(she)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)圖像(xiang)可以反映化(hua)學(xue)元素。 成分(fen)分(fen)配。 當前的(de)(de)掃(sao)描(miao)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)顯(xian)微鏡(jing)非常強(qiang)大(da)(da)，任何精(jing)細的(de)(de)結構或表面(mian)(mian)特征都可以放大(da)(da)到數十萬倍用(yong)(yong)于(yu)觀察和分(fen)析。  

就PCB或焊(han)(han)點(dian)失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)分(fen)析(xi)而言(yan)，SEM主要用(yong)于(yu)分(fen)析(xi)失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)機理(li)。 具體(ti)而言(yan)，它用(yong)于(yu)觀察(cha)焊(han)(han)盤表面的(de)(de)(de)形態，焊(han)(han)點(dian)的(de)(de)(de)金(jin)相結構，并測量金(jin)屬間化學分(fen)析(xi)，可(ke)焊(han)(han)性(xing)涂層(ceng)分(fen)析(xi)和(he)錫晶(jing)須分(fen)析(xi)。 與光學顯微(wei)鏡(jing)不同，掃描電子顯微(wei)鏡(jing)形成(cheng)電子圖像(xiang)，因此只有黑色(se)(se)和(he)白色(se)(se)，并且掃描電子顯微(wei)鏡(jing)的(de)(de)(de)樣品(pin)需要導(dao)電。 非導(dao)體(ti)和(he)某些(xie)半導(dao)體(ti)需要噴涂金(jin)或碳。 否則(ze)，樣品(pin)表面上的(de)(de)(de)電荷(he)積累會影(ying)響樣品(pin)的(de)(de)(de)觀察(cha)。 另外，SEM圖像(xiang)的(de)(de)(de)景深遠大于(yu)光學顯微(wei)鏡(jing)的(de)(de)(de)景深。 對于(yu)不均勻樣品(pin)，例(li)如(ru)金(jin)相組(zu)織(zhi)，微(wei)裂紋和(he)錫晶(jing)須，這(zhe)是一種(zhong)重要的(de)(de)(de)分(fen)析(xi)方法。

7.X射線(xian)能譜(pu)分析

上述掃描電(dian)(dian)子(zi)顯微鏡通常配備有X射線能譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)。 當(dang)高能電(dian)(dian)子(zi)束撞擊(ji)樣品表面時(shi)，表面材料原子(zi)中的(de)(de)(de)內部電(dian)(dian)子(zi)被(bei)轟擊(ji)并逸(yi)出。 當(dang)外部電(dian)(dian)子(zi)躍遷到低能級時(shi)，特(te)(te)征(zheng)(zheng)X射線被(bei)激發(fa)。 不(bu)同(tong)元(yuan)素的(de)(de)(de)特(te)(te)性具有不(bu)同(tong)水(shui)平的(de)(de)(de)原子(zi)能。  X射線不(bu)同(tong)，因(yin)此可以將樣品發(fa)出的(de)(de)(de)特(te)(te)征(zheng)(zheng)X射線分析(xi)為(wei)化學成(cheng)分。 同(tong)時(shi)，根據檢測到的(de)(de)(de)X射線信號作(zuo)為(wei)特(te)(te)征(zheng)(zheng)波長或特(te)(te)征(zheng)(zheng)能量(liang)，相應(ying)的(de)(de)(de)儀(yi)(yi)(yi)器稱(cheng)(cheng)為(wei)光譜(pu)(pu)色散光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)（簡稱(cheng)(cheng)為(wei)WDS）和能量(liang)色散光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)（簡稱(cheng)(cheng)為(wei)EDS）。 光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)的(de)(de)(de)分辨率高于(yu)光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)，光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)的(de)(de)(de)分析(xi)速度快于(yu)光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)。 由于(yu)能量(liang)譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)的(de)(de)(de)速度快且成(cheng)本(ben)低，普通SEM配備了能量(liang)譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)。  

利(li)用電子束的(de)不(bu)同掃描方(fang)法，光(guang)譜儀可(ke)以執行表(biao)面(mian)點分析(xi)(xi)(xi)，線(xian)分析(xi)(xi)(xi)和(he)表(biao)面(mian)分析(xi)(xi)(xi)，并(bing)且可(ke)以獲(huo)得(de)(de)有關元(yuan)(yuan)素(su)不(bu)同分布的(de)信息(xi)。 點分析(xi)(xi)(xi)可(ke)獲(huo)取點的(de)所有元(yuan)(yuan)素(su)； 線(xian)分析(xi)(xi)(xi)每次對指(zhi)定的(de)線(xian)執行元(yuan)(yuan)素(su)分析(xi)(xi)(xi)，并(bing)且多次掃描獲(huo)得(de)(de)所有元(yuan)(yuan)素(su)的(de)線(xian)分布； 表(biao)面(mian)分析(xi)(xi)(xi)會分析(xi)(xi)(xi)指(zhi)定表(biao)面(mian)中的(de)所有元(yuan)(yuan)素(su)，并(bing)且測得(de)(de)的(de)元(yuan)(yuan)素(su)含量(liang)為測量(liang)范圍的(de)平均值。  

在PCB的(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)中，能(neng)量譜儀(yi)主要用(yong)于焊盤(pan)表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)成分(fen)分(fen)析(xi)(xi)，以(yi)及可焊性(xing)較差的(de)(de)(de)(de)焊盤(pan)表(biao)面(mian)和引(yin)腳的(de)(de)(de)(de)污染(ran)的(de)(de)(de)(de)元素分(fen)析(xi)(xi)。 能(neng)量光譜儀(yi)的(de)(de)(de)(de)定(ding)量分(fen)析(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)準確性(xing)是有(you)限的(de)(de)(de)(de)，并(bing)且(qie)含量低于0.1％通(tong)常不易檢測。 能(neng)量譜和SEM的(de)(de)(de)(de)結合可以(yi)同(tong)時獲得有(you)關表(biao)面(mian)形貌(mao)和組(zu)成的(de)(de)(de)(de)信息，這就是為什么它(ta)們被廣(guang)泛使用(yong)的(de)(de)(de)(de)原因。  

 8.光電子能譜(pu)（XPS）分(fen)析

當樣(yang)品受到(dao)X射(she)線照射(she)時，表(biao)面(mian)(mian)原子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)內殼上(shang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)將從核中逸(yi)出(chu)并(bing)從固體中逸(yi)出(chu) 表(biao)面(mian)(mian)形成(cheng)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)。 可(ke)以得(de)到(dao)動能(neng)Ex，原子(zi)(zi)(zi)(zi)內殼的(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)結合能(neng)Eb。  Eb隨不(bu)同(tong)元素(su)和(he)不(bu)同(tong)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)殼而變化。 它是原子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)“指紋”識別(bie)參數。 形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)光譜線是光電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)能(neng)譜（XPS）。  XPS可(ke)用(yong)于(yu)(yu)(yu)樣(yang)品表(biao)面(mian)(mian)淺表(biao)面(mian)(mian)（幾個(ge)納米）元素(su)的(de)(de)(de)(de)定性和(he)定量(liang)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)。 另外(wai)，可(ke)以基于(yu)(yu)(yu)結合能(neng)的(de)(de)(de)(de)化學位移(yi)來(lai)獲得(de)關于(yu)(yu)(yu)元素(su)的(de)(de)(de)(de)化學價的(de)(de)(de)(de)信(xin)息(xi)。 它可(ke)以提供諸如表(biao)層(ceng)(ceng)和(he)周圍元素(su)的(de)(de)(de)(de)原子(zi)(zi)(zi)(zi)價之(zhi)類的(de)(de)(de)(de)信(xin)息(xi)； 由(you)于(yu)(yu)(yu)入射(she)光束(shu)是X射(she)線光子(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)，因此(ci)可(ke)以在不(bu)損壞被分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)情況下(xia)進(jin)(jin)行絕緣樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)。 也可(ke)以進(jin)(jin)行快速的(de)(de)(de)(de)多(duo)元素(su)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)； 在氬(ya)離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)剝(bo)離(li)的(de)(de)(de)(de)情況下(xia)，在多(duo)個(ge)層(ceng)(ceng)上(shang)進(jin)(jin)行了(le)縱向元素(su)分(fen)(fen)(fen)布分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)（請參見以下(xia)情況），其靈敏(min)度遠高于(yu)(yu)(yu)能(neng)譜（EDS）。 在PCB的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)中，XPS主要用(yong)于(yu)(yu)(yu)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)焊盤涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)，污染的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)和(he)氧化程度的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)，以確定造(zao)成(cheng)不(bu)良可(ke)焊性的(de)(de)(de)(de)深層(ceng)(ceng)原因。

9.熱(re)分析差示掃描量熱(re)法

：一種(zhong)在程序的(de)(de)溫(wen)度(du)控制(zhi)下測量物質(zhi)與(yu)參(can)考物質(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)(de)功率(lv)差與(yu)溫(wen)度(du)（或(huo)時間(jian)）輸入之(zhi)間(jian)關系的(de)(de)方(fang)法。  DSC在樣(yang)品(pin)和參(can)比容器下方(fang)配備了兩組補(bu)償(chang)加熱絲(si)。 當由于(yu)加熱樣(yang)品(pin)期間(jian)的(de)(de)熱效應(ying)而在樣(yang)品(pin)和參(can)考之(zhi)間(jian)產生溫(wen)差ΔT時，可以使(shi)用(yong)差動(dong)熱放(fang)(fang)大(da)電路(lu)和差動(dong)熱補(bu)償(chang)放(fang)(fang)大(da)器。  ，使(shi)流入補(bu)償(chang)加熱絲(si)的(de)(de)電流發生變化。  

為了平衡兩側的(de)(de)熱量(liang)，溫(wen)度(du)差ΔT消失，并記錄樣品下兩個電(dian)熱補(bu)償量(liang)與參考之間(jian)的(de)(de)熱功率差隨溫(wen)度(du)（或時間(jian)）的(de)(de)關系(xi)。 可以研究和分析(xi)材(cai)料(liao)的(de)(de)物(wu)理(li)，化學和熱力學性質(zhi)。  DSC被廣泛使(shi)用(yong)，但是在PCB的(de)(de)分析(xi)中(zhong)，它(ta)主要用(yong)于測量(liang)PCB上使(shi)用(yong)的(de)(de)各種聚(ju)合(he)物(wu)材(cai)料(liao)的(de)(de)固(gu)化度(du)和玻璃化轉變溫(wen)度(du)。 這兩個參數決定了后續工藝中(zhong)PCB的(de)(de)可靠性。  

 10.熱(re)力學分析儀(yi)（TMA）

熱力學(xue)分(fen)析（Thermal Mechanical Analysis）用于在(zai)(zai)(zai)溫(wen)(wen)(wen)度(du)控制(zhi)下(xia)(xia)測(ce)量(liang)固(gu)體(ti)，液體(ti)和(he)凝(ning)膠(jiao)對(dui)(dui)熱力或(huo)機械(xie)力的(de)(de)影響(xiang)。 程序根(gen)據變形(xing)性(xing)能(neng)，常用的(de)(de)載(zai)(zai)荷方法為壓(ya)(ya)縮(suo)，穿透，拉伸(shen)，彎(wan)曲等。 測(ce)試探針由懸臂梁和(he)固(gu)定在(zai)(zai)(zai)其(qi)上的(de)(de)螺旋(xuan)彈簧支(zhi)撐，并且通過電動(dong)機將載(zai)(zai)荷施加到樣品上。 當樣品變形(xing)時，差動(dong)變壓(ya)(ya)器會(hui)檢測(ce)到這種變化(hua)并利用溫(wen)(wen)(wen)度(du)，應(ying)力和(he)應(ying)變數(shu)據對(dui)(dui)其(qi)進行處理。 可以得出(chu)，在(zai)(zai)(zai)可忽略的(de)(de)載(zai)(zai)荷下(xia)(xia)物質的(de)(de)變形(xing)與溫(wen)(wen)(wen)度(du)（或(huo)時間）有關(guan)。 根(gen)據變形(xing)與溫(wen)(wen)(wen)度(du)（或(huo)時間）之(zhi)間的(de)(de)關(guan)系(xi)，可以研究和(he)分(fen)析材料的(de)(de)物理，化(hua)學(xue)和(he)熱力學(xue)性(xing)質。  TMA被(bei)廣泛使(shi)用。 在(zai)(zai)(zai)PCB分(fen)析中，它主要用于PCB的(de)(de)兩個最(zui)關(guan)鍵參數(shu)：測(ce)量(liang)其(qi)線性(xing)膨脹系(xi)數(shu)和(he)玻璃(li)化(hua)轉變溫(wen)(wen)(wen)度(du)。 具有膨脹系(xi)數(shu)過大的(de)(de)基板的(de)(de)PCB通常會(hui)導致在(zai)(zai)(zai)組裝焊料后出(chu)現(xian)金屬(shu)化(hua)孔的(de)(de)故障(zhang)。  

由于PCB的(de)(de)高密度發展(zhan)趨(qu)勢以及無(wu)(wu)鉛和(he)無(wu)(wu)鹵(lu)素的(de)(de)環境(jing)要求，越來越多(duo)的(de)(de)PCB遇(yu)到各種(zhong)故障問(wen)題，例(li)如潤濕性差，破裂，分層和(he)CAF。 介(jie)紹這些分析技術(shu)在實際案例(li)中(zhong)的(de)(de)應用。 了(le)解PCB的(de)(de)失效機理和(he)原因，將有利于將來PCB的(de)(de)質量控制，避免類(lei)似問(wen)題再(zai)次發生。