电子组装工艺失效分析技术

失效分析 赵工 半导体工程师 2024年09月27日 09:07 北京

以下为正文：

失效分析是电子组装工艺可靠性工作中的一项重要内容，开展电子工艺失效分析工作必须具备一定的测试与分析设备。失效分析包括失效情况的调查分析、失效模式的鉴别、失效特征的描述、假设和确定失效模式，以及提出纠正措施和预防新失效的发生等。

电子组装工艺的失效分析是对根据性能失效判定为失效的焊点、过孔、走线等于组装工艺有关的失效现象进行事后检查和分析工作，目的是发现并确定组装工艺有关的失效原因和机理，要反馈给设计、制造和使用方，防止失效的再次发生，达到提高电子产品工艺可靠性的目的，作用如下：

（1）通过失效分析，改进硬件设计、工艺设计及可靠性应用的理论和方法。

（2）通过失效分析找到引起失效的物理现象，得到可靠性预测的模型。

（3）为可靠性试验（加速寿命和筛选试验）条件提供理论依据和实际分析手段。

（4）在处理中若为工艺问题，确定是否为批量性问题，为是否需要批次性召回和报废提供依据。

（5）通过失效分析的改善纠正措施，提高产品良率和可靠性，减少产品运行故障，获得一定的经济效益。

电子组装工艺失效分析技术与方法主要有：外观检查、金相切片分析、光学显微镜分析技术、红外显微镜分析技术、声学显微镜分析技术、扫描电子显微镜技术、电子束测试技术、x-射线分析技术及染色与渗透分析技术。本章将重点介绍电子组装工艺失效分析中经常使用的分析技术的原理、方法。

1、外观检查

外观检查主要是分析外观缺陷，目的是记录PCB、元器件和焊点等物理尺寸、材料、设计、结构和标记，确认外观的破损，检测污染等异常和缺陷，这些问题都是工艺制造或应用中造成的错误、过负载和操作失误的证据，很可能与失效是相关的。外观检查通常采用目检，也可以用1.5 ~ 10倍的放大镜或光学显微镜。外观检查要特别注意以下几方面内容的检查：

（1） 机械损伤

（2） 器件密封缺陷

（3） 器件引脚镀层缺陷

（4） PCB表面的污染或黏附物

（5） PCB的分层和爆裂等

（6） 器件的热损伤或电器损伤情况

（7） PCB焊盘表面处理异常

（8） 焊点缺陷

2、金相切片分析

金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。金相样品制备流程：

（1）试样选取部位确定及截取方式：选择取样部位及检验面，此过程综合考虑样品的特点及加工工艺，且选取部位需具有代表性

（2）镶嵌：取金相切片专用模具，将试样直立与模内，让待检部位朝上。取一纸杯将冷埋树脂（固态）与固化剂（液态）按2:1体积比混合，搅拌均匀，倒入模内，直到样品完全浸没，将模具静置10-20min，待树脂完全固化。

（3）试样粗磨：粗磨的目的是平整试样，磨成合适的形状。待固化完全后，先将较粗的金相砂纸将样品磨至接近待检部位，在按金相专用砂纸目数有小到大的顺序进行粗磨和细磨。

（4）试样精磨：精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的划痕，为抛光做准备。对于一般的材料磨制方法分为手工磨制和机械磨制两种。

（5）试样抛光：抛光的目的是把磨光留下的细微磨痕去除，成为光亮无痕的镜面。一般分为机械抛光、化学抛光、电解抛光三种，而最常用的为机械抛光。抛光粉粒径约为0.05um

（6）试样微蚀：显微镜下观察到抛光样品的组织必须进行金相腐蚀。腐蚀的方法很多种，主要有化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀，而最常用的为化学腐蚀，用微蚀溶液为浓氨水和30%的双氧水按体积比9:1的比例混合）对待检表面进行涂抹处理，时间约为10s,然后用清水将表面清洗干净，吹干。

（7）观测：根据待检部位具体情况，选择适当的放大倍数，直到能够清晰观察到真实图像。

3、分析技术

X射线分析技术是一种借助X射线来识别原子种类的高技术。X射线是一种波长短、能量高的电磁波。当用X射线照射物质时，除发生散射和吸收现象外，还会造成原子内的电子发生电离，内层轨道的电子脱离原子，形成一个空位，使原子处于“激发态”，这样外层电子就会自动向内层跳去，填补这个空位，从而发射出一定能量的X射线。由于它的波长和能量与原来照射的X射线不同，科学家将其称为次级X射线，又叫X射线荧光。

X光透射系统就是利用不同材料厚度或不同材料密度对X光的吸收或透过率的不同原理成像，用来检查焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷、高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位，同时也可检查PCB内部缺陷等等。X-ray 分析是一种无损检测分析技术。

4、光学显微镜分析技术

光学显微镜是进行电子元器件、半导体器件和集成电路失效分析的主要工具之一。主要有立体显微镜和金相显微镜。两者结合起来使用，可用来进行器件外观以及失效部位的表面形状、分布、尺寸、组织、结构、缺陷和应力等观察，如观察分析芯片在过电应力下的各种烧毁与击穿现象、引线内外键和、芯片裂缝、玷污、划伤、氧化层缺陷及金属层腐蚀等情况。

立体显微镜放大倍数较低，从几倍到上百倍，但景深大。金相显微镜放大倍数较高，从几十倍到一千多倍，但景深较小。两者除了放大倍数不同外，其结构、成像原理及使用方法基本相似。均是用目镜和物镜组合来成像的，立体显微镜一般称正像，金相显微镜所成的像是倒像。像的放大倍数是目镜和物镜两者放大倍数之积。立体显微镜和金相显微镜均有入射和透射两种照相方式，并配有一些辅助装置，可提供明场、暗场、微分干涉相衬和偏振等观察手段，以适应不同观察的需要。

5、声学显微镜分析技术

声学显微镜:scanning Acoustic Microscope, 目前，声学显微镜已成为无损检测技术中发展最快的技术之一，主要是针对半导体器件 ,芯片,材料内部的失效分析。其可以检查到:1.材料内部的晶格结构,杂质颗粒．夹杂物．沉淀物．2. 内部裂纹. 3.分层缺陷.4.空洞,气泡,空隙等。

主要包括三种声学显微镜：扫描激光声学显微镜（scanning Laser Acoustic Microscope,SLAM; 扫描声学显微镜（Scanning Acoustic Microscope, SAM; C型扫描声学显微镜（C-Mode Scanning Acoustic Microscope, C-SAM）.从观察物体的深度来说，每一类型声学显微镜都用其自己的应用区域。如SLAM能观察到样品内部所有区域，C-SAM能观察到样品表面以下几毫米的区域，而SAM则只能观察到样品表面几微米的区域。

图：扫描声学显微镜原理

C-SAM是一种反射式扫描声学显微镜，是无损检测技术中一项重要的技术。它是利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的振幅及相位与极性变化来成像，其扫描方式是沿着Z轴扫描X-Y平面的信息。内部造影原理为电能经由聚焦转换镜产生超声波触击在待测物品上，将声波在不同接口上反射或穿透讯号接收后影像处理，再以影像及讯号加以分析。

C-SAM即最利用此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收之讯号变化将之成像。因此，只要被检测的IC上表面或内部芯片构装材料的接口有脱层、气孔、裂缝…等缺陷时，即可由C-SAM影像得知缺陷之相对位置。

目前用于电子封装或组装分析的主要是C模式的超声波扫描声学显微镜，典型的扫描声学的图像是以红色的警示色表示缺陷的存在，如上图。

由于大量的塑封元器件在SMT工艺中的应用，在有铅工艺转换无铅工艺的过程中，由于器件潮敏问题，即湿的塑封器件在更高的无铅回流温度条件下，易出现内部分层开裂现象。PCB板也易出现爆板现象，此时，扫描声学显微镜就凸显出无损探伤分析技术的优势。

来源：嘉峪检测网

半导体工程师

半导体经验分享，半导体成果交流，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业规划，芯片工程师成长历程。

打破Z轴运动控制瓶颈！台达推出最佳电子组装解决方案

受全球地缘政治影响，全球化供应链发生剧变，取而代之的是Local for local的本地化市场策略，自动化与智能化转型也在人口红利逐渐消失后，成为产业绝地逢生的新指引。为了在有限空间进行自动化精密组装，同时兼顾产品良率和产线稼功率，台达推出集成多轴交流服务系统、微型线性马达模块与光学式线性编码器的整体解决方案，为企业提供1+1大于2的附加价值与效益。

为了实现产线自动化与智能化，如今的电子组装设备多朝向微型化、高效、高速、高精、低能耗以及多轴同动与同步控制的趋势发展。台达高端型多轴交流服务系统ASDA-W3 ，与内置光学式线性编码器之微型线马模块的集成，不仅能满足当前电子组装设备主流发展需求，更是打破Z轴上下运动控制瓶颈的最佳整体解决方案。

驱动+致动器+测量三位一体，发挥自动化、智能化与可持续发展效益

台达机电业务群运动方案业务部总经理黄群皓指出，在整个电子组装解决方案中，服务驱动器ASDA-W3负责驱动马达；微型线性马达担任致动器的角色，至于光学式线性编码器（也称光学尺）则扮演测量的角色。通过编码器与驱动器，台达方案能精准地让致动器达到所要的力量、位置跟速度。

以上三款产品各具特色，皆能满足电子组装市场不同应用需求。如今产线自动化已成为电子组装产业的目标，台达进一步将三者集成成解决方案，在电子组装与半导体产业更能发挥强大的综效，尤其大幅优化制程中垂直方向的Z轴运动控制，已成为电子组装、半导体及镜头模块设备等产业提升机台产能与良率的关键。另外，台达ASDA-W3与微型线性马达皆支持多轴同动，愈多的马达、轴数与工业机器人，愈能展现精密的同步控制，进而发挥效率与产能大幅提升的自动化效益。

黄群皓进一步指出，少量多样生产模式已成为电子组装寻求智能化转型的主要生产模式，快速换线的灵活弹性也在这样的模式下彻底展现。通过更上位软件层的掌控，企业得以快速进行工单、产线/站别规划及产能配置的快速变更与转换，ASDA-W3的模块化设计能极具弹性地满足这样的需求。

不仅如此，随着ESG可持续发展已成全球不同领域与规模之企业的共同目标，降低设备能耗也成为电子产业的发展重心，采用了共直流母线设计的ASDA-W3，实现回生能量再利用，让节能效益最大化。

全模块化设计、能耗、空间与产能的极致优化

服务驱动器之所以能广泛应用于自动化机台，是因为它显著提升运动控制的速度、精度及效率。台达ASDA-W3在此基础上，进一步采全模块化设计，与市场上采独立架构的产品相比，能完全摆脱上位控制器的桎梏并大幅强化同步控制性能，再加上模块间无背隙的连接安装，比起多台单／双轴服务驱动器的并接设计，占用空间更小，精省配盘空间，降低构建及整体持有成本。

除了背板外，ASDA-W3包括电源、驱动及控制模块，用户可将各种功能模块紧密安装在最多支持12槽的背板模块上。模块之间完全不需保留散热空间，铝质金属背板就能将热能往后排出，兼顾散热与空间节省的效益。此外，背板式安装简便，所有模块皆采便于维护的前方出线设计，用户可快速更换，有效降低安装与维修的时间与负荷。

其中，电源模块则能通过背板对各模块供电，有效简化电源配线，进而最高节省35%的电控安装空间。驱动模块支持服务与线性马达，单一驱动模块即能实现2轴马达控制。内置CPU的控制模块最高可控制12轴马达，用户通过单一软件与网络线，就能轻松完成调机。

黄群皓表示，ASDA-W3展现有目共睹的高效性能，首先，背板模块实现400 Mbps的高速通信，控制模块支持EtherCAT通信，最快通信速度达到125μs，命令更新速度更高达62.5μs，在这样完美搭配下，展现高响应、低延迟、运动控制精细等显著效益。同时最高响应带宽为3.5kHz，有助快速整定，进而实现产能提升以及高速、高精应用等目标与需求。

16kHz同步率实现高精龙门运动，提供回生能量的共直流母线

再者，ASDA-W3也提供无与伦比的多轴同步控制能力。有别市售产品在每个驱动器上内置控制功能的做法，ASDA-W3以单一控制模块来控制多台驱动模块，此种设计架构特别适用于极度要求精准控制的多轴同动及龙门运动应用，但凡电子组装、半导体、锂电池、物流、包装及木工，皆有这方面高度需求。除了支持多种通信与上位控制器集成外，ASDA-W3可在内部自行产生简单运动命令，以供用户灵活规划单轴运动，还可以16kHz的速度同步率，精准控制主从轴马达，实现多组龙门高精度同步运动，并提升追随效率。

在安全保护上，ASDA-W3所支持的安全转矩关闭功能STO（Safe Torque Off），也已取得SIL3认证，该功能可适时切断马达电源或停止该轴运动，以确保人员安全。另一个值得一提的特色是提升回生能量使用效率的共直流母线设计，适时提供再生能量给其他加速轴使用。经客户实际使用反馈，该设计确实有利降低机台能耗与碳排。

台达将服务驱动器、微型致动器和测量集成成解决方案，在电子组装与半导体产业大幅优化制程中垂直方向的Z轴运动控制。

聚焦垂直方向Z轴运动应用，全自制微型线马模块完美出击

兼具轻巧、高速、高精、高稳定性与力量控制等特性的台达微型线马模块，已经成功为电子组装、半导体及光学模块等产业，解决关键制程上Z轴运动控制瓶颈，同时提升机台产能与良率的最佳解决方案之一。相关应用包括精密组件/芯片的移载与取放、压合、SMT贴装、芯片固晶、插件及检测。换言之，微型线马模块的目标市场主要聚焦在镜头模块组装、电子组装与半导体市场中的Z轴应用上。

台达微型线马模块集成线性马达、光学尺、力量传感器、滑轨和框架等组件，可实现极精细力量控制、速度/力量传感与回授、位置回授及软着陆（Soft Landing）等功能。包括动子、定子及光学尺的设计与制造，乃至整个模块设计、功能开发、与生产制造，全都由台达一手自行包办。其中，光学尺是台达为了解决当前半导体及医疗等领域的精密测量需求而特别自行开发的，甚至还特别设计一台专门制造光学尺的自动化机台。

台达光学尺包含读头及量尺两个重要的组件，专为高精高速运动控制需求，提供精准位置回授信号。其功能包含测量、定位及位置控制等，适用于金属精密加工、PCB插件与芯片取放等领域。

其中读头具备许多专利设计与功能，包括采用光源与光传感器一体化集成的反射式光学传感设计、抗污能力。搭配量尺上特有的图纹数组pattern，即使有油污或背景光源变化下，该读头皆能精准读取。台达线马模块使用空气轴承，重复精度达到0.128μm，比起一般设备与制程要求的2μm普遍精度不可同日而语，因而成为超高精度验证的首选。

台达微型线马模块体积轻薄，并排安装即可有效快速提升产能。

率先内置力量传感器，推出领先业界的软着陆功能

黄群皓表示，有鉴于市场上已有许多较为泛用且价格低廉的线马产品，台达解决方案主攻电子及半导体等特定制造应用领域的微型线马Z轴运动应用，以凸显强化自身难以取代的优势。其中，将力量传感器内置到台达微型线马中，是当前业界少见的创举。

至于软着陆功能，更被台达视为能在市场上取得领先的致胜关键。该功能确保精准稳妥的Z轴取放运动，首先通过位置控制模式，高速下降到预定位置上，接着立即转换到力量控制模式，精密调整速度与力道，便能精准、平稳又顺畅地完成组件或芯片的取放，实现制程效率、良率与稼功率的优化。

台达微型线马模块还具备几个值得注意的特色，包括适用于SMT贴片及AOI检测的直线加旋转运动控制功能，以及适用于半导体搬运及CNC加工的大推力线性马达规格。在尺寸上，台达线马目前宽度13mm，堪称业界最薄最小，接下来也会挑战8mm的产品设计。

黄群皓总结指出，不论是ASDA-W3的多轴设计、高精高速运动控制、多轴龙门同动，抑或微型线马模块集成力量传感器，以软着陆功能实现精密组件取放，再到光学尺上专利的读头设计与量尺上特有的图纹数组pattern，皆充分纳入台达的创新元素与研发实力，更集成了独特的技术能量，与永远贴合市场需求前端的设计理念，进而带给客户难以取代的增值效益。

（图片来源：台达电子）

相关问答

电工电子微组装技术是指将微小型电子元件组装成电路板或系统的技术。它包括焊接、粘接、机械连接等组装方法,以及相关的测试和质量控制。微组装技术可以提高...

电子装配是电子产品的部件的,元件安装、焊接、拼装、包装的过程。电子是构成原子的基本粒子之一,质量极小,带单位负电荷,在原子中围绕原子核旋转。不同...电...

核心课程:自动测试与检测技术、电子器件与电子线路、信号处理技术、电子组装工艺及设备、电子设计自动化(EDA)、电工电子技术、计算机接口技术、微机控制技术...

可以在电子信产品的生产、经营与技术管理和开用电子技术专业主要面向电子产品与设备的生产企业和经营单位,从事各种电子产品与设备的装配、调试、检...

应用电子技术专业是电子技术、通信技术与计算机应用技术相结合的复合型专业他要学的课程不同的学校开的课程不一定一样,但是大体差不多有,高频、低...

电工电子、微电子、信息、传感器、接口、信号变换等多种技术进行有机地结合,并综合应用到实际中去实现控制自...机械设备装配与自动控制就是机电一体化。是将...

电子装配指的是电子产品的部件的,元件安装,焊接.拼装,包装的过程。扩展知识:电子是构成原子的基本粒子之一,质量极小,带单位负电荷,在原子中围绕原子核旋...

1.先列个每份指导书的标题,注意按组装顺序排;2.再根据每个标题,做一页详细的指导书;3.每页的指导书大致的格式是这样:最上面一行是标题,右上角是指导书的...

电子封装技术主要研究封装材料、封装结构、封装工艺、互连技术、封装布线设计等方面的基本知识和技能,涉及元器件封装、光电器件制造与封装、太阳能光伏技术、...

就是在装配流水线上装配电子产品。一般一个电子产品,需要划分很多道工序,每道工序或者几道工序需要安排一个组装工对几个零件进行装配,直到一个电子产品组装...