|
截面分析结果
截面分析允许检查内部结构和冶金结合。DPA截面分析检查步骤如下：内部PCB板性能，表面分层情况，焊料形态和机械评估。
图八显示了在有很多地线和电源面的多层板上焊料未填满的PTH。此例中穿孔润湿低于10%。图九显示了在相似位置PTH焊料只填充了25%左右。邻近的引脚焊料填充大于75％，可是在PTH引脚上有负面的润湿，这是不符合标准的缺陷。图十显示的是DPA分析和采用了正确的矫正措施和波峰焊过程优化的结果。相似的厚大地线面引脚正如最近的两张图片所示展示了目标焊点的条件。
DPA附带用来评价机械方法，如图十一所示。连接器的压插脚展示了正确的机械特性。
DPA截面分析在PCBA中用来对典型的焊点试分类。图十二是一个典型的含有可接受孔洞的BGA焊点形成过程。由于BGA截面所在的位置板轻微的翘起或元件封装可能引起焊点拉长，如图十三所示。SEM分析测量Cu－Sn IMC的厚度来验证正确的回流条件。通常在正确的回流条件下Cu－Sn IMC的厚度大约是2－3μm,如图十四所示。如果Cu－Sn IMC的厚度过了或者太薄了那么回流曲线就得调查了。
DPA分析通过寻找在PCBA和焊点上加不寻常的压力后的痕迹来评估焊点裂纹。如图十五所示，PTH焊点和部分裂纹相连。放大的图十六清晰的显示了焊接裂纹 和它沿着PTH的引脚扩展。如图十七为殴翼型引脚SMT连接器的截面。有太过多的孔洞，然而裂纹是由在也有显著的焊接裂纹（未显示）的设备上机械加工插脚的不正常压力造成的。DPA在一个随机的例子中起作用这是CM工厂所公认的。导致裂纹的非正常压力必须被研究并采取正确的措施消除这样的条件。因此DPA可以作为消除缺陷系统的工具。
DPA截面分析评价PCB符合IPC-A-600G规范。如图十八为一个Cu厚度不一致的PTH截面例子。图十九为放大的图片，可以清晰的看见铜不足的区域不符合规范。PCB供应商必须采取措施消除缺陷和产伤缺陷的过程条件。在这些例子中如果不用DPA将缺陷不会被发现，也不会谈论及听到采取正确的生产措施。DPA当然能去除潜在的缺陷和潜伏的早期生命缺陷。
IPC-A-610C焊点规范完全适用于DPA截面分析。图二十为一未愈合钎角的不均匀焊点。产生这一特殊例子的根本原因是有两折叠：它既是在SMT拾取和放置的错误又是一个设计上关于合适的焊盘长度以制定合理的过程的问题。需要正确的措施来解决这两个问题。如图二十一和二十二所示，一个电解电容放置的位置正确了但是由于不正确的焊盘长度仍然缺乏必要的愈合钎角距离。此例中虽然焊点很坚固但是仍人不符合规范。图二十三所示为一个更严重的缺陷，引脚不完全润湿。显然某类引脚的污物或氧化物影响了润湿性。DPA在很早的发展周期就能发现这些问题，因此这些问题在接下来的批量生产前可以得到解决。
最后主要的问题是截面DPA分析有效地鉴定板表面镀层的特性。特别涉及到无电镀镍浸金（ENIG）表面镀层。目前评价未成型PCB上黑色焊盘综合症的敏感性是不切实际的[5][6]。特定的组装设计和化学参数以及供应商的浴过程控制都影响ENIG沉积的电池作用的交互作用。严格的DPA截面分析横穿一个已组装的PCB焊点能够为特定的参数和供应商的ENIG化学过程提供黑色焊盘综合症的线索。图二十四为一个有着极好的宏观焊接特征的BGA在一个特定的ENIG组装中。由镍界面和IMC层的SEM放大照片可见令人烦恼的特征，镍腐蚀钉入镍层[4]。这是黑色焊盘综合症的征兆，可是这并不意味着灾难将要发生。然而有些事情很明显不会有人把它作为“目标条件”。对板的其它区域分析表明许多不同的位置和组成几何形状受到影响。图二十六再次显示在SMT连接器引脚上的良好的宏观焊接特性。IMC和镍界面层的细节如图二十七所示。镍腐蚀钉很明显，表明如果这些焊点经历一个触发压力就会增加发生黑色焊盘综合症的风险。图二十八是不同组装处的BGA截面宏观焊接特性和先前图像的比较。图二十九所示为过度的和极端的镍腐蚀。箭头所指为镍深度腐蚀的坑，在镍结的边缘。这一特殊的板和ENIG化学成分生成化合物比图二十五和图二十七的组装有更大的风险。图三十所示为一与图二十八相同的组装CBGA位置。图三十一为极端的镍腐蚀钉深深地穿入镍层。可以通过改变ENIG的化学成分或者转换成一种选择性的表面镀层。
机械测试（拉伸和剪切）
机械拉伸和剪切测试都是破坏性的测试，利用相对于基线最终的机械结合或焊点拉伸或剪切强度。一般地这些测试导致焊料间最大的剥离强度。拉伸测试可能用于BGA或者对母板/子板连接器进行染色渗透测试。染色渗透将在焊点中先于由测试引入的缺陷标明任何早先的裂纹。这是一种评估任何受非正常压力板的大区域的快捷方法。这一测试的标准来自MIL-STD-883E METHOD 2004.5 Test Condition A 和Test Condition D。没有一个行业标准来评估测试结果，然而结果可能用作比较分析。金属断面的显微观察提供对弱连接分析的机会，仔细观察发现焊点似乎过早地断裂和缺陷条件例如差的润湿，不完全回流或污染有关。DPA机械测试应该应用在系统级机械组装和PCBA成分。
拉伸测试结果
PCBA成分的拉伸测试是评估焊料互连的快捷高效方法。尤其是用在ENIG表面镀层上效果很好。图三十二所示为在ENIG板上BGA的拉伸测试。失效是焊盘从PCB和BGA边拉出和脱离的混合模式。然而，某些焊盘已经在脆性的界面上以断裂模式失效，似乎是沿着板焊盘表面失效的。低倍的SEM观察嫌疑焊盘如图三十三所示。图三十四为高放大倍数的金属断面照片。在镍结边缘可以观察到特征泥破裂和深度腐蚀裂纹。这表明是黑色焊盘综合症[4][5]。Sn－Ni IMC仍然靠近镍结的中心，证明Sn的润湿性和冶金结合。用SEM和EDX分析来建立P，Ni和Sn的典型标记图，再一次地证明黑色综合症[4]。DPA拉伸测试能够鉴定焊点尤其是怀疑由ENIG过程和组装设计的交互作用电流效应引起的黑色焊盘综合症的焊点。图三十六是一个典型的BGA拉伸测试载荷－时间关系图。这一拉伸测试中PCB侧面结果如图三十七所示。缺陷的体积依赖于基底PCB BGA焊盘缺陷。这是一个典型的结果因为成分焊盘是一般焊料掩膜做的焊盘和PCBs无焊料掩膜焊 盘相比强度更高。这是一个可接受结果。图三十八是一个BGA设备不同拉伸测试结果。由于基底粘结失效BGA成分焊盘和PCB焊盘有相等的失效几率。从这一研究中得到的唯一结论是焊点是机械致密的因为没有任何证据表明单个焊点过早失效。本例中PCB板使用HASL焊盘镀层而不是ENIG。
结论
DPA是一套严格的材料分析测试方法，包括非破坏性和破坏性的方法。它包括：光学检查，X射线分析，IC测试，截面分析和机械测试。结果符合一般的工业标准例如：IPC-A-610C，IPC-A-600G，和IPC/WHMA-A-620。随机DPA作为一个质量发展程序贯穿产品发展的生命周期。DPA引入材料和制造过程作为重设计和使产品设计最优化的机制。DPA通过从系统中剔除缺陷来降低失效。
DEFINITIONS定义
8D Eight Discipline Format 8原则格式
BGA Ball Grid Array 球栅阵列
CBGA Ceramic Ball Grid Array 陶瓷球栅阵列
CAS IPC Certified Application Specialist IPC鉴定应用专家
CLCA Closed Loop Corrective Action 闭环矫正措施
CM Contract Electronics Manufacturer 合同电子制造商
DFM Design For Manufacturability 为可制造性而设计
DIMM Dull Inline Memory Module 迟钝的在线存储模块
DPA Destructive Physical Analysis 破坏性物理分析
EDX Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 能量散射X射线谱
ENIG Electroless Ni Immersion Au 无电镀镍浸金
HASL Hot Air Solder Level 热空气焊
IC Ion Chromatography 离子色谱仪
IMC Intermetallic Compound 金属化合物
NPI New Product Introductory 新产品介绍
NPIE New Product Introductory Engineer 新产品介绍工程师
NPI-PM New Product Introductory-Program Manager 新产品介绍－项目经理
PCB Printed Circuit Board 印刷电路板
PCBA Printed Circuit Board Assembly 印刷电路板组装
PE Product Engineer 产品工程师
PE-PM Product Engineer-Program Manager 产品工程经理
PTH Plated Through Hole 电镀通孔
PVT Production Verification Test 产品认证测试
QRE Quality Reliability Engineer 质量可靠性工程师
SBE Supply Base Engineer 供应基地工程师
SEM Scanning Electron Microscope 扫描电子显微镜
SMT Surface Mount Technology 表面安装技术
REFERENCES参考文献
[1] Craig, Darin J., “Stop Depending on Inspection,”
Quality Progress, Vol. 37, No. 7, July 2004.
[2] IPC Task Group 7-31b of the Product Assurance
Subcommittee 7-30 of IPC, IPC-A-610 Rev C.
Acceptability of Electronic Assemblies, IPC, January
2000.
[3] IPC Task Group 7-31a of the Product Assurance
Subcommittee 7-30 of IPC, IPC-A-600 Rev G.
Acceptability of Printed Boards, IPC, July 2004.
[4] IPC Task Group 7-31f of the Product Assurance
Subcommittee 7-30 of IPC and the WHMA Industry
Technical Guidelines Committee (ITGC), IPC/WHMAA-
620 Requirements and Acceptance for Cable and
Wire Harness Assemblies, IPC, January 2002.
[5] Jay, Roger, and Kwong, A., “Dealing With The Black
Pad Defect A Failure Analyst’s Perspective”, SMTA
Proceedings, Chicago, IL., 2001.
[6] Snugovky, P.,Kelly, M.,Bagheri, Z., and Romansky,
M., “Lead-Free and Lead-Bearing Solder Intermetallic
Formation on Electroless Ni/Immersion Au
Interconnects Affected by Black Pad,” IPC SMEMA
Council APEX, 2002.
|
