PCBA失效分析方法探讨

随着社会的不断进步，电子技术飞速发展，PCBA作为电子产品的核心部件，其可靠性和质量直接影响整个产品的功能稳定性和使用寿命。PCBA的失效往往会给企业和用户带来巨大损失，因此PCBA失效分析水平的不断提升对产品的研发有极其重要的意义。

一、PCBA失效分析的基本概念

PCBA产品在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质及操作失误等因素的作用，丧失其规定功能或原有功能退化的现象称为失效[1]。分析是通过科学的分析方法和适当的分析设备，对失效的印刷电路板组件性能进行检测、分析和排查的过程。目的是确定元器件的失效模式、找出失效机理、定位失效根因，并针对该问题提出相应的整改措施。PCBA的失效可能发生产品的研发、测试、生产加工等各个环节，失效的表现形式也各种各样，包括结构件损坏、元器件失效、助焊剂残留引起的化学腐蚀等。

二、失效分析流程及方法

PCBA失效分析的基本流程：收集产品失效背景和现象、外观检查、原理分析和电气测试、深层次分析、得出分析结论、根因分析、风险分析、改善及预防措施。

失效背景和现象包括失效所发生的时间、地点，具体的产品，环境应力（温度、湿度、盐雾、污染、日照、辐射等），机械应力（振动、冲击等），电磁应力（静电、浪涌、干扰等），作业的方法，作业的流程等。失效现象包括整机的异常现象，单板的异常现象，对用户的影响等。这是进行失效分析的前提条件。

外观检查包括目视检查、显微镜检查。目视检查是最直接的PCBA失效分析方法，检查表面是否存在较大的划伤、烧毁以及明显的加工问题（连锡、虚焊）。对于封装较小的器件可以采用显微镜观察，但建议先通过理论分析定位到相关的功能模块再使用显微镜检查，否则犹如大海捞针，外观检查只能发现表面的缺陷，无法检查元器件内部损伤。

原理分析和电气测试是先通过失效现象判断失效的功能模块电路，然后通过万用表、示波器等仪器测量电路的通断、阻抗以及信号波形，与正常产品对比分析后，确定失效点的位置，如果初步分析能发现异常信号，但是无法找到异常点，那就进行深层次分析。

深层次分析方法包括热成像分析、I/V（电流/电压）特性曲线仪测试、X-ray等。

热成像分析是通过给PCBA输入电流，再用热成像仪检查是否存在异常发热点，往往发热点就是故障点。该分析方法可以在一定程度上找出内部损伤元器件，因为一般内部有损伤的元器件，其工作温度会比正常元器件偏高或者偏低，另外热成像分析也可以帮助我们快速找到加工环节引入的连锡短路点。

I/V特性曲线仪测试是对元器件各个引脚进行电流和电压测试，观察其是否与正常器件一样，主要分为电阻特性、二极管特性、短路、开路4种情况。该方法适用于已定位到芯片类元器件故障，需进一步判断元器件内部是否损坏及具体损坏的引脚。

X-ray是可以穿透PCBA表面，观察元器件内部结构情况，该方法适用于检测BGA/QFN封装元器件焊接质量和插件元器件的过孔爬锡高度，也可以用于观察失效元器件内部键合丝是否断裂。

根因分析是确定失效的根本原因，分为技术原因、人为原因和流程管理原因，便于后续进行整改闭环。

风险分析是从严重等级、影响范围、失效率3个维度进行分析，得出综合评分，以此来判断下一步是否进行反措或更改。如果对每起失效不分主次的采取措施，那针对高风险的应多措施势必不足，对低风险的措施又可能多余，这样就会造成不必要的浪费，按照风险大小分配优先的资源和精力，这是有效风险管理的基础[2]。

改善和预防措施是在失效分析定位后，提出有效的改进措施，避免类似失效再次发生。

三、失效案例

某电力产品的QFN封装器件在调试期间出现间歇性功能失效，用手按压芯片能使其恢复正常运行，松开手又表现异常，通过X-ray检测发现芯片内部焊球与焊盘有点偏移，导致焊点上锡不足，用手按压PCB形变，刚好能接触到。最终确定失效原因是该批次芯片为尾料，需手工贴片焊接，工人放置时没有对准导致，后续规定该芯片禁止手贴，必须使用机器贴，最终得到有效解决。

图1 焊点X-ray

某电子产品新生产的CPU板件在单板测试时异常，使用示波器测量其电源芯片输入正常，但没有电源输出，使用万用表电阻档测量输出对地阻抗异常，仅为1Ω，由于该电路并联器件太多，无法通过手动测量找到具体失效器件，最后使用昂立在该回路加入电流，使用热成像仪寻找发热点，最终定位到短路点为一个电容表面有锡渣，导致其短路，去掉后恢复正常。该锡渣是由于焊盘有杂质导致炸锡引起的，后续要求供应商对焊盘清洁度进行严格测试，有效解决了该问题。

图2显微镜下的短路点

某消费产品在功能调试时发现告警指示灯异常，将单片机芯片取下进行I/V特性曲线测量，发现其中一个点告警灯的引脚对地呈现开路特性，正常芯片应为二极管特性，最终确认芯片失效，反查生产加工环节，发现工人焊接该指示灯时没有带防静电手环，可能引入静电导致芯片引脚异常，后续提升对防静电进行管控，有效解决了该问题。

图3 I/V特性曲线

四、结语

PCBA失效分析是一项系统性的工作，不仅需要工程、研发、生产等多个部门的配合，还要综合运用多种分析方法和仪器。很多时候，精准的分析定位靠的不是先进的仪器设备，而是丰富的分析经验和技术知识。随着电子产品的复杂度不断提高，PCBA失效分析面临着巨大挑战，希望本文介绍的失效分析方法能给大家带来帮助，另外建议大家在平时失效分析中建立失效分析数据库和知识库，有助于提高失效分析效率和质量。现在大数据和人工智能在快速发展，希望未来它们能在失效分析领域起到一定的作用。

文章来源：《产品可靠性报告》https://www.zzqklm.com/w/kj/32519.html