PCB 電子元件故障的 6 種類型

隨著數字化的到來，電子產品達到了頂峰。電子設備中使用的組件在其使用壽命期間可能會出現某些故障。常見的電子元件故障包括機械、熱、環境、電應力、封裝和老化。這些缺陷影響了設備的功能。識別、解決和防止此類故障對于交付可靠的產品至關重要。

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缺陷。應將重點放在容易出現故障的領域的持續改進上。

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環境故障

2.4電應力失效

2.4.1靜電放電

2.4.2介電故障

2.4.3導電陽極絲

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期運行或運行。它最終會損壞產品。這些缺陷可能導致設備性能完全損壞或退化。

執行根本原因分析以找出組件的故障模式至關重要。這項研究需要一些信息，包括：

• 電路板設計數據包括尺寸、應力、載荷等。

• 零件、材料和工藝規范。

• 涉及化學分析、機械性能、檢驗和性能測試的制造過程報告。

• 與工作環境相關的信息。

• 維護記錄包括振動分析和以前的故障。

所有這些數據都將有助于故障模式和電路板的有效分析。

使用數字萬用表檢查 PCB 故障

組件故障的發生是由于機械、溫度、環境、電氣、封裝和老化因素造成的。了解有關這些原因的所有細節至關重要。

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，即使在去除產生應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和物理特性的材料。按這些板材在一起有時會導致變形。除此之外，機械切割（V-scoring）、濕化學工藝和高溫也會引起變形。

脆性斷裂是設備在壓力下快速破裂而突然發生的故障類型。在這種情況下，材料不會出現降解或破損的跡象。在電路板中，這種類型的故障發生在焊接點處。這些斷裂是由于在組裝、測試和運輸過程中組件中出現的拉伸應力而產生的。此外，由于受到沖擊、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的變形。由蠕變引起的破壞稱為蠕變斷裂。表面處理產生蠕變腐蝕。根據RoHS指令，電子行業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，但它更有可能導致蠕變。ENIG（化學鍍鎳浸金）和 OSP（有機可焊性防腐劑）具有低蠕變風險。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險。

蠕變腐蝕

疲勞是材料在循環載荷作用下裂紋的產生和發展。在填充板中，焊接疲勞是一個嚴重的故障。不一致的 CTE 是導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，由于熱效應和晝夜效應，最終會形成焊料疲勞。

熱故障

當部件被加熱到其臨界溫度（例如玻璃化轉變溫度 (Tg)、熔點或閃點）以上時，就會發生熱故障。Tg 是基材從剛性狀態變為彈性狀態時的溫度。基材決定電路板的Tg值。如果工作溫度超過 Tg，則會導致熱失效，從而導致元件燒毀。

由于過熱而燒毀 PCB 上的芯片

有關熱故障分析，請參見減少發熱的 12 種 PCB 熱管理技術.

環境故障是由異物、濕氣、灰塵、電涌和受熱引起的。

電應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。

極端的電應力會導致 ESD，從而導致災難性故障、永久性參數變化和隱藏損壞。這可能是由于高電流密度、高電場梯度和局部熱形成而發生的。PCB組件當它們與任何帶電物體接觸時容易受到 ESD 的影響。根據兩者之間的電動勢和彼此之間的距離，當兩者靠近時最有可能發生 ESD。

IC因過熱損壞

介電故障描述了放置在兩個導體之間的固體絕緣體內的電擊穿。它通常與絕緣材料的刺破或分解有關。當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（樣品的厚度和質量）和環境（溫度和濕度）因素會影響該水平。

介電故障

板可能會沿著復合材料的纖維形成導電陽極絲 (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。玻璃樹脂結合不良PCB鉆孔損壞是導致此類故障的原因。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。它充當電子元件和環境影響之間的屏障。熱膨脹會導致損壞材料的機械應力。腐蝕性化學品和濕度可能會導致腐蝕。過大的熱應力會使引線鍵合應力過大，導致連接松動、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致裂紋，從而導致機械損壞。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。當組件的生產停止時，循環結束。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格。從而導致他們過早地失敗。

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防，從而改進生產和裝配過程。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應用有關的問題阻焊層. 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。它還有助于開發一個可靠的焊點.

該測試通過復制焊料和材料之間的接觸來評估焊料的強度和潤濕質量。它決定了潤濕力和從接觸到潤濕力形成的持續時間。此外，它還確定了故障的原因。可焊性測試的應用包括：

• 焊料和助焊劑的評估

• 電路板涂層評估

• 質量控制

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要求至關重要。

污染會導致各種問題，例如腐蝕、金屬化和降解。電路板在其生命周期內必須經過腐蝕性化學溶液。此類化學品包括蝕刻液體、助焊劑、電解液等。使用這些化學品后必須進行清潔。

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。該溶液溶解了改變溶液組成和值的離子雜質。然后，通過將實際水平與標準水平進行比較，可以分析污染的嚴重程度。應重點關注清潔過程，以避免出現故障風險。

這顯微切片試驗，也稱為橫截面，檢查以下內容：

• 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。然后放入環氧樹脂中固化固化。后來，使用磨損技術，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 相關的隱藏缺陷和BGA在 PCB 中。此方法訪問內部幾何形狀和結構組成。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

發現與焊接和組裝相關的問題的最流行的測試方法之一是光學顯微鏡或表面成像方法。該技術因其效率和準確性而廣受歡迎。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。它可以驗證不正確的構造，這會導致應力暴露某些橫截面的缺陷。

使用光學顯微鏡檢查 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。