PCB 電子元件故障的 6 種類型

隨著數(shù)字化的到來，電子產(chǎn)品達到了頂峰。電子設(shè)備中使用的組件在其使用壽命期間可能會出現(xiàn)某些故障。常見的電子元件故障包括機械、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。識別、解決和防止此類故障對于交付可靠的產(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、裝配和運輸過程中，由于多種原因可能會出現(xiàn)缺陷。應(yīng)將重點放在容易出現(xiàn)故障的領(lǐng)域的持續(xù)改進上。

目錄

1什么是電子元件故障？

2常見的電子元件故障

2.1機械故障

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可焊性測試

3.2污染測試

3.3顯微切片測試

3.4自動 X 射線檢測 (AXI)

3.5表面成像方法

電子組件故障是指組件未按預(yù)期運行或運行。它最終會損壞產(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。這項研究需要一些信息，包括：

• 電路板設(shè)計數(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、機械性能、檢驗和性能測試的制造過程報告。

• 與工作環(huán)境相關(guān)的信息。

• 維護記錄包括振動分析和以前的故障。

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)字萬用表檢查 PCB 故障

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

電路板的機械故障包括彈性和塑性變形、疲勞斷裂的開始和擴展、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。彈性變形是暫時的，在去除引起應(yīng)力和變形的外力后就會消失。然而，塑性變形是永久性的，即使在去除產(chǎn)生應(yīng)力的外力后仍會保持變形。PCB包括銅箔、樹脂、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會導(dǎo)致變形。除此之外，機械切割（V-scoring）、濕化學(xué)工藝和高溫也會引起變形。

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)生在焊接點處。這些斷裂是由于在組裝、測試和運輸過程中組件中出現(xiàn)的拉伸應(yīng)力而產(chǎn)生的。此外，由于受到?jīng)_擊、振動和熱漂移，這些裂縫的存在。

焊點脆性斷裂

振動對填充板不利，尤其是在 3 類產(chǎn)品中。要了解更多信息，請參閱航天器的振動如何影響 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)計過程中的不平衡層，過程中的熱膨脹焊接（因為不同材料特性)，以及組件、散熱器或防護罩的重量。

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（有機可焊性防腐劑）具有低蠕變風(fēng)險。在惡劣的氣氛中，蠕變失效的危險性越來越大。如今，研究人員正在研究先進的無鉛飾面以降低這種風(fēng)險。

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)、熔點或閃點）以上時，就會發(fā)生熱故障。Tg 是基材從剛性狀態(tài)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時的溫度?；臎Q定電路板的Tg值。如果工作溫度超過 Tg，則會導(dǎo)致熱失效，從而導(dǎo)致元件燒毀。

由于過熱而燒毀 PCB 上的芯片

有關(guān)熱故障分析，請參見減少發(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、過電壓和表面俘獲。

極端的電應(yīng)力會導(dǎo)致 ESD，從而導(dǎo)致災(zāi)難性故障、永久性參數(shù)變化和隱藏損壞。這可能是由于高電流密度、高電場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容易受到 ESD 的影響。根據(jù)兩者之間的電動勢和彼此之間的距離，當(dāng)兩者靠近時最有可能發(fā)生 ESD。

IC因過熱損壞

介電故障描述了放置在兩個導(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，任何材料都會在某個點破裂或刺穿。材料（樣品的厚度和質(zhì)量）和環(huán)境（溫度和濕度）因素會影響該水平。

介電故障

板可能會沿著復(fù)合材料的纖維形成導(dǎo)電陽極絲 (CAF)。在此期間通過電鍍，金屬被注入暴露的表面，在那里它由于離子、水分和電勢而遷移。玻璃樹脂結(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。熱膨脹會導(dǎo)致?lián)p壞材料的機械應(yīng)力。腐蝕性化學(xué)品和濕度可能會導(dǎo)致腐蝕。過大的熱應(yīng)力會使引線鍵合應(yīng)力過大，導(dǎo)致連接松動、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)致機械損壞。在封裝過程中，鍵合線可以被切斷和短路。

每個組件都有有限的使用壽命。如果超過該點運行，則由于機械疲勞而導(dǎo)致故障的可能性會增加。在組件生命周期中，其可用性在各個階段不斷進步。當(dāng)組件的生產(chǎn)停止時，循環(huán)結(jié)束。因此，在此生命周期終止 (EOL) 階段采購的零件可能已過時且不符合最新的性能規(guī)格。從而導(dǎo)致他們過早地失敗。

可以通過多次測試來識別缺陷。故障分析有助于了解故障及其預(yù)防，從而改進生產(chǎn)和裝配過程。這里有幾個重要的：

可焊性定義了在最低限度的適當(dāng)條件下焊料對金屬或金屬合金表面的潤濕。通常，電路板制造過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)的問題阻焊層. 為了減少這種故障，請檢查元件和焊盤的可焊性，以確保表面的堅固性。它還有助于開發(fā)一個可靠的焊點.

該測試通過復(fù)制焊料和材料之間的接觸來評估焊料的強度和潤濕質(zhì)量。它決定了潤濕力和從接觸到潤濕力形成的持續(xù)時間。此外，它還確定了故障的原因?？珊感詼y試的應(yīng)用包括：

• 焊料和助焊劑的評估

• 電路板涂層評估

• 質(zhì)量控制

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

污染會導(dǎo)致各種問題，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)品后必須進行清潔。

離子污染引起的腐蝕

污染測試計算樣品中存在的離子污染物的數(shù)量。該過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，通過將實際水平與標(biāo)準(zhǔn)水平進行比較，可以分析污染的嚴(yán)重程度。應(yīng)重點關(guān)注清潔過程，以避免出現(xiàn)故障風(fēng)險。

這顯微切片試驗，也稱為橫截面，檢查以下內(nèi)容：

• 元件缺陷

• 短褲或開口

• 熱機械故障

• 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試方法，它提供了一種準(zhǔn)確的方法來分離電子元件并將其從樣品中取出。然后放入環(huán)氧樹脂中固化固化。后來，使用磨損技術(shù)，將組件移除并拋光，直到它具有反射性。該測試涉及將此樣品與功能部件進行比較。

6層橫截面樣品

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

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

• 元件缺陷，如引線翹起、元件缺失和元件錯位

• BGA 錯誤，包括 BGA 短路和開路連接

使用 X 射線檢查 BGA

發(fā)現(xiàn)與焊接和組裝相關(guān)的問題的最流行的測試方法之一是光學(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到1000X的放大倍數(shù)。它可以驗證不正確的構(gòu)造，這會導(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

如果您對常見的電子元件故障還有任何疑問，請在評論部分告訴我們。