PCB 電子元件故障的 6 種類型

隨著數(shù)字化的到來(lái)，電子產(chǎn)品達(dá)到了頂峰。電子設(shè)備中使用的組件在其使用壽命期間可能會(huì)出現(xiàn)某些故障。常見(jiàn)的電子元件故障包括機(jī)械、熱、環(huán)境、電應(yīng)力、封裝和老化。這些缺陷影響了設(shè)備的功能。識(shí)別、解決和防止此類故障對(duì)于交付可靠的產(chǎn)品至關(guān)重要。

PCB由許多元件組成，包括通孔元件和表面貼裝器件（SMD）。在制造、裝配和運(yùn)輸過(guò)程中，由于多種原因可能會(huì)出現(xiàn)缺陷。應(yīng)將重點(diǎn)放在容易出現(xiàn)故障的領(lǐng)域的持續(xù)改進(jìn)上。

目錄

1什么是電子元件故障？

2常見(jiàn)的電子元件故障

2.1機(jī)械故障

2.1.1彈性和塑性變形

2.1.2脆性斷裂

2.1.3翹曲

2.1.4蠕變

2.1.5疲勞

2.2熱故障

2.3環(huán)境故障

2.4電應(yīng)力失效

2.4.1靜電放電

2.4.2介電故障

2.4.3導(dǎo)電陽(yáng)極絲

2.5包裝失敗

2.6老化失敗

3確定組件故障的方法

3.1可焊性測(cè)試

3.2污染測(cè)試

3.3顯微切片測(cè)試

3.4自動(dòng) X 射線檢測(cè) (AXI)

3.5表面成像方法

電子組件故障是指組件未按預(yù)期運(yùn)行或運(yùn)行。它最終會(huì)損壞產(chǎn)品。這些缺陷可能導(dǎo)致設(shè)備性能完全損壞或退化。

執(zhí)行根本原因分析以找出組件的故障模式至關(guān)重要。這項(xiàng)研究需要一些信息，包括：

• 電路板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括尺寸、應(yīng)力、載荷等。

• 零件、材料和工藝規(guī)范。

• 涉及化學(xué)分析、機(jī)械性能、檢驗(yàn)和性能測(cè)試的制造過(guò)程報(bào)告。

• 與工作環(huán)境相關(guān)的信息。

• 維護(hù)記錄包括振動(dòng)分析和以前的故障。

所有這些數(shù)據(jù)都將有助于故障模式和電路板的有效分析。

使用數(shù)字萬(wàn)用表檢查 PCB 故障

組件故障的發(fā)生是由于機(jī)械、溫度、環(huán)境、電氣、封裝和老化因素造成的。了解有關(guān)這些原因的所有細(xì)節(jié)至關(guān)重要。

電路板的機(jī)械故障包括彈性和塑性變形、疲勞斷裂的開(kāi)始和擴(kuò)展、脆性斷裂、翹曲以及蠕變和蠕變斷裂。

變形只是可以改變物體形狀和大小的變形。它有兩種類型：彈性和塑料。彈性變形是暫時(shí)的，在去除引起應(yīng)力和變形的外力后就會(huì)消失。然而，塑性變形是永久性的，即使在去除產(chǎn)生應(yīng)力的外力后仍會(huì)保持變形。PCB包括銅箔、樹(shù)脂、玻璃布和其他具有不同化學(xué)和物理特性的材料。按這些板材在一起有時(shí)會(huì)導(dǎo)致變形。除此之外，機(jī)械切割（V-scoring）、濕化學(xué)工藝和高溫也會(huì)引起變形。

脆性斷裂是設(shè)備在壓力下快速破裂而突然發(fā)生的故障類型。在這種情況下，材料不會(huì)出現(xiàn)降解或破損的跡象。在電路板中，這種類型的故障發(fā)生在焊接點(diǎn)處。這些斷裂是由于在組裝、測(cè)試和運(yùn)輸過(guò)程中組件中出現(xiàn)的拉伸應(yīng)力而產(chǎn)生的。此外，由于受到?jīng)_擊、振動(dòng)和熱漂移，這些裂縫的存在。

焊點(diǎn)脆性斷裂

振動(dòng)對(duì)填充板不利，尤其是在 3 類產(chǎn)品中。要了解更多信息，請(qǐng)參閱航天器的振動(dòng)如何影響 PCBA.

翹曲是設(shè)備由于熱和濕氣而偏離原始形狀的扭曲或彎曲。PCB 翹曲會(huì)在回流焊接周期中改變電路板的輪廓。翹曲的原因包括電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中的不平衡層，過(guò)程中的熱膨脹焊接（因?yàn)椴煌牧咸匦?，以及組件、散熱器或防護(hù)罩的重量。

翹曲的PCB

蠕變是由溫度升高和壓力恒定引起的與時(shí)間有關(guān)的變形。由蠕變引起的破壞稱為蠕變斷裂。表面處理產(chǎn)生蠕變腐蝕。根據(jù)RoHS指令，電子行業(yè)必須專注于無(wú)鉛表面處理。一種具有成本效益的選擇是浸銀，但它更有可能導(dǎo)致蠕變。ENIG（化學(xué)鍍鎳浸金）和 OSP（有機(jī)可焊性防腐劑）具有低蠕變風(fēng)險(xiǎn)。在惡劣的氣氛中，蠕變失效的危險(xiǎn)性越來(lái)越大。如今，研究人員正在研究先進(jìn)的無(wú)鉛飾面以降低這種風(fēng)險(xiǎn)。

蠕變腐蝕

疲勞是材料在循環(huán)載荷作用下裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。在填充板中，焊接疲勞是一個(gè)嚴(yán)重的故障。不一致的 CTE 是導(dǎo)致焊接疲勞的根本原因。CTE 確定材料在溫度偏差期間的收縮和膨脹。將低 CTE 組件焊接到低 CTE 電路板，將高 CTE 組件焊接到高 CTE 電路板是一種很好的做法. 如果不匹配，由于熱效應(yīng)和晝夜效應(yīng)，最終會(huì)形成焊料疲勞。

熱故障

當(dāng)部件被加熱到其臨界溫度（例如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)、熔點(diǎn)或閃點(diǎn)）以上時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱故障。Tg 是基材從剛性狀態(tài)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時(shí)的溫度?；臎Q定電路板的Tg值。如果工作溫度超過(guò) Tg，則會(huì)導(dǎo)致熱失效，從而導(dǎo)致元件燒毀。

由于過(guò)熱而燒毀 PCB 上的芯片

有關(guān)熱故障分析，請(qǐng)參見(jiàn)減少發(fā)熱的 12 種 PCB 熱管理技術(shù).

環(huán)境故障是由異物、濕氣、灰塵、電涌和受熱引起的。

電應(yīng)力失效的原因包括靜電放電 (ESD)、表面擊穿、介電失效、過(guò)電壓和表面俘獲。

極端的電應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致 ESD，從而導(dǎo)致災(zāi)難性故障、永久性參數(shù)變化和隱藏?fù)p壞。這可能是由于高電流密度、高電場(chǎng)梯度和局部熱形成而發(fā)生的。PCB組件當(dāng)它們與任何帶電物體接觸時(shí)容易受到 ESD 的影響。根據(jù)兩者之間的電動(dòng)勢(shì)和彼此之間的距離，當(dāng)兩者靠近時(shí)最有可能發(fā)生 ESD。

IC因過(guò)熱損壞

介電故障描述了放置在兩個(gè)導(dǎo)體之間的固體絕緣體內(nèi)的電擊穿。它通常與絕緣材料的刺破或分解有關(guān)。當(dāng)暴露于高電壓梯度時(shí)，任何材料都會(huì)在某個(gè)點(diǎn)破裂或刺穿。材料（樣品的厚度和質(zhì)量）和環(huán)境（溫度和濕度）因素會(huì)影響該水平。

介電故障

板可能會(huì)沿著復(fù)合材料的纖維形成導(dǎo)電陽(yáng)極絲 (CAF)。在此期間通過(guò)電鍍，金屬被注入暴露的表面，在那里它由于離子、水分和電勢(shì)而遷移。玻璃樹(shù)脂結(jié)合不良PCB鉆孔損壞是導(dǎo)致此類故障的原因。由于纖維和基體的熱膨脹差異，焊接后結(jié)合力減弱。無(wú)鉛焊料需要更高的焊接溫度，這增加了 CAF 的可能性。

導(dǎo)電陽(yáng)極燈絲 (CAF)

包裝通常是許多電子零件故障的原因。它充當(dāng)電子元件和環(huán)境影響之間的屏障。熱膨脹會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞材料的機(jī)械應(yīng)力。腐蝕性化學(xué)品和濕度可能會(huì)導(dǎo)致腐蝕。過(guò)大的熱應(yīng)力會(huì)使引線鍵合應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致連接松動(dòng)、芯片破裂或封裝破裂。濕度和隨后的高溫加熱的影響也可能導(dǎo)致裂紋，從而導(dǎo)致機(jī)械損壞。在封裝過(guò)程中，鍵合線可以被切斷和短路。

每個(gè)組件都有有限的使用壽命。如果超過(guò)該點(diǎn)運(yùn)行，則由于機(jī)械疲勞而導(dǎo)致故障的可能性會(huì)增加。在組件生命周期中，其可用性在各個(gè)階段不斷進(jìn)步。當(dāng)組件的生產(chǎn)停止時(shí)，循環(huán)結(jié)束。因此，在此生命周期終止 (EOL) 階段采購(gòu)的零件可能已過(guò)時(shí)且不符合最新的性能規(guī)格。從而導(dǎo)致他們過(guò)早地失敗。

可以通過(guò)多次測(cè)試來(lái)識(shí)別缺陷。故障分析有助于了解故障及其預(yù)防，從而改進(jìn)生產(chǎn)和裝配過(guò)程。這里有幾個(gè)重要的：

可焊性定義了在最低限度的適當(dāng)條件下焊料對(duì)金屬或金屬合金表面的潤(rùn)濕。通常，電路板制造過(guò)程本身就是組裝困難的原因。這是由于與氧化和不當(dāng)應(yīng)用有關(guān)的問(wèn)題阻焊層. 為了減少這種故障，請(qǐng)檢查元件和焊盤(pán)的可焊性，以確保表面的堅(jiān)固性。它還有助于開(kāi)發(fā)一個(gè)可靠的焊點(diǎn).

該測(cè)試通過(guò)復(fù)制焊料和材料之間的接觸來(lái)評(píng)估焊料的強(qiáng)度和潤(rùn)濕質(zhì)量。它決定了潤(rùn)濕力和從接觸到潤(rùn)濕力形成的持續(xù)時(shí)間。此外，它還確定了故障的原因?？珊感詼y(cè)試的應(yīng)用包括：

• 焊料和助焊劑的評(píng)估

• 電路板涂層評(píng)估

• 質(zhì)量控制

為了有效地利用這種測(cè)試，了解各種表面條件和測(cè)試方法的適當(dāng)要求至關(guān)重要。

污染會(huì)導(dǎo)致各種問(wèn)題，例如腐蝕、金屬化和降解。電路板在其生命周期內(nèi)必須經(jīng)過(guò)腐蝕性化學(xué)溶液。此類化學(xué)品包括蝕刻液體、助焊劑、電解液等。使用這些化學(xué)品后必須進(jìn)行清潔。

離子污染引起的腐蝕

污染測(cè)試計(jì)算樣品中存在的離子污染物的數(shù)量。該過(guò)程包括將電路板浸入樣品溶液中。該溶液溶解了改變?nèi)芤航M成和值的離子雜質(zhì)。然后，通過(guò)將實(shí)際水平與標(biāo)準(zhǔn)水平進(jìn)行比較，可以分析污染的嚴(yán)重程度。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注清潔過(guò)程，以避免出現(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)。

這顯微切片試驗(yàn)，也稱為橫截面，檢查以下內(nèi)容：

• 元件缺陷

• 短褲或開(kāi)口

• 熱機(jī)械故障

• 回流焊處理失敗

• 原料分析

在這種方法中，從顯示電路板特征的樣本中切出二維切片。顯微切片分析是一種破壞性測(cè)試方法，它提供了一種準(zhǔn)確的方法來(lái)分離電子元件并將其從樣品中取出。然后放入環(huán)氧樹(shù)脂中固化固化。后來(lái)，使用磨損技術(shù)，將組件移除并拋光，直到它具有反射性。該測(cè)試涉及將此樣品與功能部件進(jìn)行比較。

6層橫截面樣品

自動(dòng) X 射線檢測(cè) (AXI) 確定與 IC 相關(guān)的隱藏缺陷和BGA在 PCB 中。此方法訪問(wèn)內(nèi)部幾何形狀和結(jié)構(gòu)組成。使用此方法可以檢測(cè)到以下錯(cuò)誤：

• 焊接缺陷如開(kāi)路、短路、焊橋、焊料空隙、焊料過(guò)多和不足以及焊料質(zhì)量。

• 元件缺陷，如引線翹起、元件缺失和元件錯(cuò)位

• BGA 錯(cuò)誤，包括 BGA 短路和開(kāi)路連接

使用 X 射線檢查 BGA

發(fā)現(xiàn)與焊接和組裝相關(guān)的問(wèn)題的最流行的測(cè)試方法之一是光學(xué)顯微鏡或表面成像方法。該技術(shù)因其效率和準(zhǔn)確性而廣受歡迎。它使用具有可見(jiàn)光的高倍顯微鏡。該顯微鏡具有小景深和單平面視圖并且可以達(dá)到1000X的放大倍數(shù)。它可以驗(yàn)證不正確的構(gòu)造，這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力暴露某些橫截面的缺陷。

使用光學(xué)顯微鏡檢查 PCB

如果您對(duì)常見(jiàn)的電子元件故障還有任何疑問(wèn)，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論部分告訴我們。