工業(yè)電子計算機斷層掃描技術(shù)在印制電路板失效分析中的應用

方樹森 周 波 李星星 吳俊明 何 驍

（中國賽寶實驗室可靠性研究分析中心，廣東 廣州 511370）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）是當前各種電子產(chǎn)品裝聯(lián)的核心基礎(chǔ)零部件。近年來，隨著PCB 行業(yè)的新材料、新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝等的應用和逐步推廣，其產(chǎn)品朝著高性能、高可靠性需求等方向發(fā)展，給PCB 的質(zhì)量管控帶來更高的全新挑戰(zhàn)，產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量缺陷和失效的風險隨之增大。在PCB 質(zhì)量篩查和失效分析的過程中，部分試樣的價值較高，如裝配多個集成電路的樣品、歸零失效樣品、高集成化樣品等，未完全確定缺陷點和失效模式前，不能輕易進行破壞性分析，需優(yōu)先無損定位。工業(yè)電子計算機斷層掃描技術(shù)（computed tomography，CT）作為無損檢測方法，可在不接觸和不破壞樣品的前提下，清晰地獲得PCB 二維和三維灰度圖像，利用圖像灰度分辨樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成、缺陷性質(zhì)、尺寸大小等信息，成像直觀，分辨率高，在PCB 品質(zhì)檢測中已得到推廣和應用，如對過孔［1］、圖像分割掃描［2-4］、線路的自動檢測［5］等方面都有良好的應用效果。

目前，開路、短路、爆板分層等已成為PCB失效的常見模式，直接影響PCB的質(zhì)量和可靠性，如不良品流出，會對企業(yè)的口碑和品牌造成負面影響。工業(yè)CT可為PCB產(chǎn)線的工藝失效和質(zhì)量缺陷提供有效的無損檢測技術(shù)手段，在不破壞產(chǎn)品的前提下，檢測缺陷位置，既能發(fā)現(xiàn)和攔截不良品，也能深入分析失效的根本原因，進而指導產(chǎn)線進行優(yōu)化改善，提升產(chǎn)品品質(zhì)。本文簡要介紹工業(yè)CT的設(shè)備原理、性能和技術(shù)特點，并結(jié)合其在PCB 開短路、分層等典型失效案例中的應用進行技術(shù)分享，以期為業(yè)內(nèi)同行提供參考。

1 工業(yè)CT成像原理簡介

1.1 工業(yè)CT工作原理

工業(yè)CT技術(shù)是一種依據(jù)外部投影數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的無損檢測技術(shù)，其原理是通過受控狀態(tài)下的射線源所產(chǎn)生的扇形高能X 射線，掃描并穿透待檢工件后發(fā)生衰減，根據(jù)不同的衰減程度反映工件內(nèi)部信息，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，形成工件的二維斷層圖像或三維立體圖像。在PCB 失效分析中，工業(yè)CT 可360°旋轉(zhuǎn)PCB 試樣，從多個角度獲取投影數(shù)據(jù)，得到未重疊的數(shù)字化PCB 結(jié)構(gòu)影像，直觀準確地展現(xiàn)PCB 內(nèi)部的全方位信息，對觀察區(qū)域模擬開展“水平切片”和“垂直切片”分析，確認缺陷的形狀、位置、尺寸等信息。

1.2 儀器設(shè)備

采用蔡司Xradia 510 Versa，最大輸出電壓160 kV，最大輸出功率10 W，理論空間分辨率可達到0.7 μm，最小可實現(xiàn)的體素為70 nm。探測系統(tǒng)采用蔡司X 射線顯微鏡擁有的創(chuàng)新探測器轉(zhuǎn)臺，裝有多個不同放大倍率的物鏡（0.4 X、4.0 X、20.0 X），每個物鏡配備優(yōu)化的閃爍體，可提供最高吸收襯度細節(jié)。樣品臺最大負重25 kg，可360°旋轉(zhuǎn)，光源行程190 mm，探測器行程290 mm，最大可容納樣品尺寸為300 mm。

2 在PCB失效分析中的應用

2.1 PCB開路的CT圖像特征

PCB 開路主要有導通孔開路、導線開路、內(nèi)層互連缺陷（inner connection defects，ICD）等失效模式。對開路失效的無損定位方法有萬用表測電阻的方式，確認開路失效的線路或通孔區(qū)域，再結(jié)合金相切片等破壞性方式觀察切片截面的形貌，從而確認失效現(xiàn)象。對部分線路復雜、器件較多的印制電路板組件（printed circuit board assemble，PCBA）樣品，無法通過導通電阻值測試精準定位，不利于開展下一步破壞性的切片分析，需要采用工業(yè)CT的手段。

通過工業(yè)CT對PCB的開路失效區(qū)域進行無損掃描，如圖1所示。通孔的二維截面圖像上發(fā)現(xiàn)孔銅存在局部孔銅厚度不足、孔銅開路（圖1（a））等現(xiàn)象，再通過金相切片（圖1（b））分析加以確認。此外，對于孔內(nèi)局部無銅（圖1（c））等開路失效，通過孔銅三維圖像則更能清晰直觀地觀察缺陷現(xiàn)象。內(nèi)層ICD 失效是通孔位置的內(nèi)層互連銅層與通孔孔壁的結(jié)合界面處開路所致（圖1（d）和圖1（e）），經(jīng)工業(yè)CT 二維信息模擬進行“水平切片”和“垂直切片”分析，能清晰觀察ICD 失效的典型缺陷圖像，且模擬的二維剖面圖1（e）與金相切片圖1（f）觀察到的失效現(xiàn)象完全吻合。

圖1 PCB開路失效示例

2.2 PCB短路的CT圖像特征

隨著PCB 的尺寸越來越小，布線密度越來越高，有效絕緣間距逐漸減小，導致PCB 線路間短路、電遷移等失效風險增大。對于多層PCB，短路、微短等失效發(fā)生在其內(nèi)層的概率更高，借助CT 圖像可快速定位短路點。內(nèi)層短路失效如圖2所示。PCB 通孔所在網(wǎng)絡(luò)存在絕緣電阻偏低的現(xiàn)象，根據(jù)工業(yè)CT 掃描后，模擬內(nèi)層“水平”（圖2（a））和“垂直”（圖2（b））方向?qū)蓚€截面進行觀察。發(fā)現(xiàn)PCB 內(nèi)層孔環(huán)與相鄰大銅皮間的隔離環(huán)位置存在異常，經(jīng)金相切片（圖2（c））分析可知，金屬銅造成隔離環(huán)的有效絕緣間距減小，導致短路失效。PCB 內(nèi)層電遷移現(xiàn)象是造成微短失效的常見模式之一，使用工業(yè)CT 的“垂直”切片（圖2（d）），發(fā)現(xiàn)PCB 短路區(qū)域內(nèi)層導線間存在異常，經(jīng)水平金相切片分析可知，2 條導線間有銅離子遷移形成的枝晶（圖2（e）），是導致PCB短路的失效原因。

圖2 內(nèi)層短路失效示例

2.3 PCB分層爆板的CT圖像案例

PCB 的分層模式有介質(zhì)層內(nèi)部分層和材料界面分層2 種［6］，分層現(xiàn)象在外觀表現(xiàn)為白斑或鼓泡。但存在部分分層現(xiàn)象不明顯的情況，僅從外觀上無法判斷爆板分層的分層區(qū)域和分層起爆點。甚至有一些復雜的失效案例，其失效現(xiàn)象最初表現(xiàn)為產(chǎn)品功能性失效，例如發(fā)生開路、短路等缺陷，然而通過開展深入的失效分析，究其根因，發(fā)現(xiàn)是PCB 板發(fā)生爆板分層造成內(nèi)層線路錯位或孔銅斷裂所致。因此，對于這類多失效模式混合的案例，優(yōu)先開展無損定位分析尤為重要。如圖3所示，對某失效樣品經(jīng)CT 二維剖面分析發(fā)現(xiàn)，PCB 的基材存在垂直裂紋和內(nèi)層界面分層的失效現(xiàn)象；圖3（a）中可見裂紋貫穿了從表層至內(nèi)層的線路，PCB 層間出現(xiàn)錯位，不同層之間的銅導線發(fā)生短接，造成層間短路，這與圖3（b）中的金相切片分析結(jié)果一致。在圖3（c）中，某PCB樣品出現(xiàn)開路失效，對開路失效的通孔區(qū)域進行工業(yè)CT掃描和二維剖面分析，發(fā)現(xiàn)PCB的內(nèi)層玻纖與樹脂界面存在分層，基材分層導致孔銅被拉斷，從而在功能上表現(xiàn)為孔銅開路失效。對此類非單一失效模式的案例，通過無損檢測技術(shù)分析可避免誤判，提高檢測分析效率和準確性，事半功倍。

圖3 爆板分層失效代表

2.4 PCB內(nèi)層圖形的無損檢測

一直以來，PCB 內(nèi)層圖形、線寬和間距的質(zhì)量管控，主要靠內(nèi)層圖形制作工序的檢驗人員和自動光學檢測（automated optical inspection，AOI）工序檢測。但壓合成多層板后，常用的非破壞檢測技術(shù)無法滿足測量內(nèi)層線路圖形尺寸的需求。工業(yè)CT可在不破壞PCB結(jié)構(gòu)的情況下，測量其內(nèi)外尺寸，如圖4所示。圖4（a）為一個10層PCB經(jīng)CT掃描后，得到第4層線路分布水平二維圖，由圖可知，線路寬度約為41.7、86.9、88.2 μm；圖4（b）為第4 層對應位置的垂直二維圖，測得的線寬約為41.8 和87.6 μm，與水平二維效果測試結(jié)果相同。綜上可得，工業(yè)CT 對多層PCB板進行無損掃描后，在垂直和水平兩個方向，不斷將圖像分割為較小的區(qū)域，得到待測區(qū)域的清晰線路分布情況，測量尺寸，為內(nèi)層圖形的無損測量提供有效的解決辦法。

圖4 PCB內(nèi)層線路CT測量示例

3 結(jié)語

工業(yè)CT 作為一種先進的無損檢測技術(shù)手段，可在不損傷樣品的前提下，對樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷情況進行三維成像，具有穿透性強、分辨率高、準確性高等優(yōu)點，協(xié)助完成PCB 開路、短路、爆板分層等缺陷分析及內(nèi)層圖形尺寸測量。工業(yè)CT在PCB 產(chǎn)品的質(zhì)量檢測、失效分析等領(lǐng)域有重要的應用價值，對PCB 的質(zhì)量控制和生產(chǎn)工藝提升具有指導意義。