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      集成電路試驗圖


      印制電路板(PCB)一直是電子封裝的基本構造模塊,作為各種電子元器件的載體和電路信號傳輸的樞紐,其質量和可靠性決定了整個電子封裝的質量和可靠性。而隨著電子產品的小型化、輕量化和多功能化要求,以及無鉛、無鹵進程的推動,對PCB可靠性的要求會越來越高,因此如何快速定位PCB可靠性問題并作相應的可靠性提升成為PCB企業的重要課題之一。

      PCB生產過程中常用檢測方法有哪些?

      為了保證PCB板的生產質量,廠家在生產的過程中經過了多種檢測方法,每種檢測方法都會針對不同的PCB板的瑕疵。主要可分為電氣測試法和視覺測試法兩大類。

      電氣測試通常采用惠斯電橋測量各測試點間的阻抗特性的方法,來檢測所有通導性(即開路和短路)。視覺測試通過視覺檢查電子元器件的特征以及印刷線路的 特征找出缺陷。電氣測試在尋找短路或斷路瑕疵時比較準確,視覺測試可以更容易偵測到導體間不正確空隙的問題,并且視覺檢測一般在生產過程的早期階段進行, 盡量找出缺陷并進行返修,以保證最高的產品合格率。

      PCB板常用檢測方法如下:

      1、PCB板人工目測

      使用放大鏡或校準的顯微鏡,利用操作人員視覺檢查來確定電路板合不合格,并確定什么時候需進行校正操作,它是最傳統的檢測方法。它的主 要優點是低的預先成本和沒有測試夾具,而它的主要缺點是人的主觀誤差、長期成本較高、不連續的缺陷發覺、數據收集困難等。目前由于PCB的產量增 加,PCB上導線間距與元件體積的縮小,這個方法變得越來越不可行。

      2、PCB板在線測試

      通過對電性能的檢測找出制造缺陷以及測試模擬、數字和混合信號的元件,以保證它們符合規格,己有針床式測試儀和飛針測試儀等幾種測試方 法。主要優點是每個板的測試成本低、數字與功能測試能力強、快速和徹底的短路與開路測試、編程固件、缺陷覆蓋率高和易于編程等。主要缺點是,需要測試夾 具、編程與調試時間、制作夾具的成本較高,使用難度大等問題。

      3、PCB板功能測試

      功能系統測試是在生產線的中間階段和末端利用專門的測試設備,對電路板的功能模塊進行全面的測試,用以確認電路板的好壞。功能測試可以 說是最早的自動測試原理,它基于特定板或特定單元,可用各種設備來完成。有最終產品測試、最新實體模型和堆砌式測試等類型。功能測試通常不提供用于過程改 進的腳級和元件級診斷等深層數據,而且需要專門設備及專門設計的測試流程,編寫功能測試程序復雜,因此不適用于大多數電路板生產線。

      4、自動光學檢測

      也稱為自動視覺檢測,是基于光學原理,綜合采用圖像分析、計算機和自動控制等多種技術,對生產中遇到的缺陷進行檢測和處理,是較新 的確認制造缺陷的方法。AOI通常在回流前后、電氣測試之前使用,提高電氣處理或功能測試階段的合格率,此時糾正缺陷的成本遠遠低于最終測試之后進行的成 本,常達到十幾倍。

      5、自動X光檢查

      利用不同物質對X光的吸收率的不同,透視需要檢測的部位,發現缺陷。主要用于檢測超細間距和超高密度電路板以及裝配工藝過程中產生 的橋接、丟片、對準不良等缺陷,還可利用其層析成像技術檢測IC芯片內部缺陷。它是現時測試球柵陣列焊接質量和被遮擋的錫球的唯一方法。主要優點是能夠檢 測BGA焊接質量和嵌人式元件、無夾具成本;主要缺點是速度慢、高失效率、檢測返工焊點困難、高成本、和長的程序開發時間,這是較新的檢測方法,還有待于 進一步研究。

      6、激光檢測系統

      它是PCB測試技術的最新發展。它利用激光束掃描印制板,收集所有測量數據,并將實際測量值與預置的合格極限值進行比較。這種技術 己經在光板上得到證實,正考慮用于裝配板測試,速度己足夠用于批量生產線??焖佥敵?、不要求夾具和視覺非遮蓋訪問是其主要優點;初始成本高、維護和使用問 題多是其主要缺點。

      7、尺寸檢測

      利用二次元影像測量儀,測量孔位,長寬,位置度等尺寸。由于PCB屬于小薄軟類型的產品,接觸式的測量,很容易產生變形以致于造成測量不準確,二次元影像測量儀就成為了最佳的高精度尺寸測量儀器。思瑞測量的影像測量儀通過編程之后,能實現全自動的測量,不僅測量精度高,還大大的縮短測量時間,提高測量效率。

      常見PCB可靠性問題和典型圖例

      而在實際可靠性問題失效分析中,同一種失效模式,其失效機理可能是復雜多樣的,因此就如同查案一樣,需要正確的分析思路、縝密的邏輯思維和多樣化的分析手段,方能找到真正的失效原因。在此過程中,任何一個環節稍有疏忽,都有可能造成“冤假錯案”。

      可靠性問題的一般分析思路

      背景信息收集

      背景信息是可靠性問題失效分析的基礎,直接影響后續所有失效分析的走向,并對最終的機理判定產生決定性影響。因此,失效分析之前,應盡可能地收集到失效背后的信息,通常包括但不僅限于:

      1)失效范圍:失效批次信息和對應的失效率

      ①若是大批量生產中的單批次出問題,或者失效率較低時,那么工藝控制異常的可能性更大;

      ②若是首批/多批次均有問題,或者失效率較高時,則不可排除材料和設計因素的影響;

      2)失效前處理:失效發生前,PCB或PCBA是否經過了一系列前處理流程。常見的前處理包括回流前烘烤、有/無鉛回流焊接、有/無鉛波峰焊接和手工焊接等,必要時需詳細了解各前處理流程所用的物料(錫膏、鋼網、焊錫絲等)、設備(烙鐵功率等)和參數(回流曲線、波峰焊參數、手焊溫度等)信息;

      3)失效情境:PCB或PCBA失效時的具體信息,有的是在前處理比如說焊接組裝過程中就已失效,比如可焊性不良、分層等;有的則是在后續的老化、測試甚至使用過程中失效,比如CAF、ECM、燒板等;需詳細了解失效過程和相關參數;

      失效PCB/PCBA分析

      一般來說失效品的數量是有限的,甚至僅有一塊,因此對于失效品的分析一定要遵循由外到內,由非破壞到破壞的逐層分析原則,切忌過早破壞失效現場:

      1)外觀觀察

      外觀觀察是失效品分析的第一步,通過失效現場的外觀形態并結合背景信息,有經驗的失效分析工程師能夠基本判斷出失效的數個可能原因,并針對性地進行后續分析。但需要注意的是,外觀觀察的方式很多,包括目視、手持式放大鏡、臺式放大鏡、立體顯微鏡和金相顯微鏡等。然而由于光源、成像原理和觀察景深的不同,對應設備觀察出的形貌需要結合設備因素綜合分析,切忌貿然判斷形成先入為主的主觀臆測,使得失效分析進入錯誤的方向,浪費寶貴的失效品和分析時間。

      2)深入無損分析

      有些失效單單采用外觀觀察,不能收集到足夠的失效信息,甚至連失效點都找不到,比如分層、虛焊和內開等,這時候需借助其他無損分析手段進行進一步的信息收集,包括超聲波探傷、3D X-RAY、紅外熱成像、短路定位探測等。

      在外觀觀察和無損分析階段,需注意不同失效品之間的共性或異性特征,對后續的失效判斷有一定借鑒意義。在無損分析階段收集到足夠的信息后,就可以開始針對性的破壞分析了。

      3)破壞分析

      失效品的破壞分析是不可少的,且是最關鍵的一步,往往決定著失效分析的成敗。破壞分析的方法很多,常見的如掃描電鏡&元素分析、水平/垂直切片、FTIR等,本節不作贅述。在此階段,失效分析方法固然重要,但更重要的是對缺陷問題的洞察力和判斷力,并對失效模式和失效機理有正確清楚的認識,方可找到真正的失效原因。

      裸板PCB分析

      當失效率很高時,對于裸板PCB的分析是有必要的,可作為失效原因分析的補充。當失效品分析階段得到的失效原因是裸板PCB的某項缺陷導致了進一步的可靠性失效,那么若裸板PCB有同樣的缺陷時,經過與失效品相同的處理流程后,應體現出與失效品相同的失效模式。若沒有復現出相同的失效模式,那只能說明失效品的原因分析是錯誤的,至少是不全面的。

      復現試驗

      當失效率很低且無法從裸板PCB分析中得到幫助時,有必要對PCB缺陷進行復現并進一步復現失效品的失效模式,使得失效分析形成閉環。

      在面臨著PCB可靠性失效日益增多的今天,失效分析對于設計優化、工藝改善、材料選型提供了重要的第一手信息,是可靠性增長的起點。

      可靠性(Reliability)是對產品耐久力的測量,我們主要典型的IC產品的生命周期可以用一條浴缸曲線(Bathtub Curve)來表示。

      pcb分析圖

      如上圖示意,集成電路的失效原因大致分為三個階段:

      Region (I) 被稱為早夭期(Infancy period), 這個階段產品的失效率快速下降,造成失效的原因在于IC設計和生產過程中的缺陷;

      Region (II) 被稱為使用期(Useful life period), 這個階段產品的失效率保持穩定,失效的原因往往是隨機的,比如溫度變化等等;

      Region (III) 被稱為磨耗期(Wear-Out period) 這個階段產品的失效率會快速升高,失效的原因就是產品的長期使用所造成的老化等。

      軍工級器件老化篩選

      元器件壽命試驗

      ESD等級、Latch_up測試評價

      高低溫性能分析試驗

      集成電路微缺陷分析

      封裝缺陷無損檢測及分析

      電遷移、熱載流子評價分析

      根據試驗等級分為如下幾類:

      一、使用壽命測試項目(Life test items)

      EFR:早期失效等級測試( Early fail Rate Test )

      目的:評估工藝的穩定性,加速缺陷失效率,去除由于天生原因失效的產品

      測試條件:在特定時間內動態提升溫度和電壓對產品進行測試

      失效機制:材料或工藝的缺陷,包括諸如氧化層缺陷,金屬刻鍍,離子玷污等由于生產造成的失效

      參考標準:

      JESD22-A108-A

      EIAJED- 4701-D101

      HTOL/ LTOL:高/低溫操作生命期試驗(High/ Low Temperature Operating Life )

      目的:評估器件在超熱和超電壓情況下一段時間的耐久力

      測試條件: 125℃,1.1VCC, 動態測試

      失效機制:電子遷移,氧化層破裂,相互擴散,不穩定性,離子玷污等

      參考數據:

      125℃條件下1000小時測試通過IC可以保證持續使用4年,2000小時測試持續使用8年;150℃ 1000小時測試通過保證使用8年,2000小時保證使用28年

      參考標準:

      MIT-STD-883E Method 1005.8

      JESD22-A108-A

      EIAJED- 4701-D101

      二、環境測試項目(Environmental test items)

      PRE-CON:預處理測試( Precondition Test )

      目的:模擬IC在使用之前在一定濕度,溫度條件下存儲的耐久力,也就是IC從生產到使用之間存儲的可靠性

      THB:加速式溫濕度及偏壓測試(Temperature Humidity Bias Test )

      目的:評估IC產品在高溫,高濕,偏壓條件下對濕氣的抵抗能力,加速其失效進程

      測試條件:85℃,85%RH, 1.1 VCC, Static bias

      失效機制:電解腐蝕

      參考標準:

      JESD22-A101-D

      EIAJED- 4701-D122

      高加速溫濕度及偏壓測試(HAST: Highly Accelerated Stress Test )

      目的:評估IC產品在偏壓下高溫,高濕,高氣壓條件下對濕度的抵抗能力,加速其失效過程

      測試條件:130℃, 85%RH, 1.1 VCC, Static bias,2.3 atm

      失效機制:電離腐蝕,封裝密封性

      參考標準:

      JESD22-A110

      PCT:高壓蒸煮試驗 Pressure Cook Test (Autoclave Test)

      目的: 評估IC產品在高溫,高濕,高氣壓條件下對濕度的抵抗能力,加速其失效過程

      測試條件:130℃, 85%RH, Static bias,15PSIG(2 atm)

      失效機制:化學金屬腐蝕,封裝密封性

      參考標準:

      JESD22-A102

      EIAJED- 4701-B123

      *HAST與THB的區別在于溫度更高,并且考慮到壓力因素,實驗時間可以縮短,而PCT則不加偏壓,但濕度增大。

      TCT:高低溫循環試驗(Temperature Cycling Test )

      目的:評估IC產品中具有不同熱膨脹系數的金屬之間的界面的接觸良率。方法是通過循環流動的空氣從高溫到低溫重復變化

      測試條件:

      Condition B:-55℃ to 125℃

      Condition C: -65℃ to 150℃

      失效機制:電介質的斷裂,導體和絕緣體的斷裂,不同界面的分層

      參考標準:

      MIT-STD-883E Method 1010.7

      JESD22-A104-A

      EIAJED- 4701-B-131

      TST:高低溫沖擊試驗(Thermal Shock Test )

      目的:評估IC產品中具有不同熱膨脹系數的金屬之間的界面的接觸良率。方法是通過循環流動的液體從高溫到低溫重復變化

      測試條件:

      Condition B: - 55℃ to 125℃

      Condition C: - 65℃ to 150℃

      失效機制:電介質的斷裂,材料的老化(如bond wires), 導體機械變形

      參考標準:

      MIT-STD-883E Method 1011.9

      JESD22-B106

      EIAJED- 4701-B-141

      * TCT與TST的區別在于TCT偏重于package 的測試,而TST偏重于晶園的測試

      HTST:高溫儲存試驗(High Temperature Storage Life Test )

      目的:評估IC產品在實際使用之前在高溫條件下保持幾年不工作條件下的生命時間

      測試條件:150℃

      失效機制:化學和擴散效應,Au-Al 共金效應

      參考標準:

      MIT-STD-883E Method 1008.2

      JESD22-A103-A

      EIAJED- 4701-B111

      可焊性試驗(Solderability Test )

      目的:評估IC leads在粘錫過程中的可靠度

      測試方法:

      Step1:蒸汽老化8 小時

      Step2:浸入245℃錫盆中 5秒

      失效標準(Failure Criterion):至少95%良率

      具體的測試條件和估算結果可參考以下標準

      MIT-STD-883E Method 2003.7

      JESD22-B102

      SHT Test:焊接熱量耐久測試( Solder Heat Resistivity Test )

      目的:評估IC 對瞬間高溫的敏感度

      測試方法:侵入260℃ 錫盆中10秒

      失效標準(Failure Criterion):根據電測試結果

      具體的測試條件和估算結果可參考以下標準

      MIT-STD-883E Method 2003.7

      EIAJED- 4701-B106

      三、耐久性測試項目(Endurance test items )

      周期耐久性測試(Endurance Cycling Test )

      目的:評估非揮發性memory器件在多次讀寫算后的持久性能

      Test Method:將數據寫入memory的存儲單元,在擦除數據,重復這個過程多次

      測試條件:室溫,或者更高,每個數據的讀寫次數達到100k~1000k

      參考標準:

      MIT-STD-883E Method 1033

      數據保持力測試(Data Retention Test)

      目的:在重復讀寫之后加速非揮發性memory器件存儲節點的電荷損失

      測試條件:在高溫條件下將數據寫入memory存儲單元后,多次讀取驗證單元中的數據

      失效機制:150℃

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