PCB 电子元件故障的 6 种类型

随着数字化的到来，电子产品达到了顶峰。电子设备中使用的组件在其使用寿命期间可能会出现某些故障。常见的电子元件故障包括机械、热、环境、电应力、封装和老化。这些缺陷影响了设备的功能。识别、解决和防止此类故障对于交付可靠的产品至关重要。

PCB由许多元件组成，包括通孔元件和表面贴装器件（SMD）。在制造、装配和运输过程中，由于多种原因可能会出现缺陷。应将重点放在容易出现故障的领域的持续改进上。

目录

1什么是电子元件故障？

2常见的电子元件故障

2.1机械故障

2.1.1弹性和塑性变形

2.1.2脆性断裂

2.1.3翘曲

2.1.4蠕变

2.1.5疲劳

2.2热故障

2.3环境故障

2.4电应力失效

2.4.1静电放电

2.4.2介电故障

2.4.3导电阳极丝

2.5包装失败

2.6老化失败

3确定组件故障的方法

3.1可焊性测试

3.2污染测试

3.3显微切片测试

3.4自动 X 射线检测 (AXI)

3.5表面成像方法

电子组件故障是指组件未按预期运行或运行。它最终会损坏产品。这些缺陷可能导致设备性能完全损坏或退化。

执行根本原因分析以找出组件的故障模式至关重要。这项研究需要一些信息，包括：

• 电路板设计数据包括尺寸、应力、载荷等。

• 零件、材料和工艺规范。

• 涉及化学分析、机械性能、检验和性能测试的制造过程报告。

• 与工作环境相关的信息。

• 维护记录包括振动分析和以前的故障。

所有这些数据都将有助于故障模式和电路板的有效分析。

使用数字万用表检查 PCB 故障

组件故障的发生是由于机械、温度、环境、电气、封装和老化因素造成的。了解有关这些原因的所有细节至关重要。

电路板的机械故障包括弹性和塑性变形、疲劳断裂的开始和扩展、脆性断裂、翘曲以及蠕变和蠕变断裂。

变形只是可以改变物体形状和大小的变形。它有两种类型：弹性和塑料。弹性变形是暂时的，在去除引起应力和变形的外力后就会消失。然而，塑性变形是永久性的，即使在去除产生应力的外力后仍会保持变形。PCB包括铜箔、树脂、玻璃布和其他具有不同化学和物理特性的材料。按这些板材在一起有时会导致变形。除此之外，机械切割（V-scoring）、湿化学工艺和高温也会引起变形。

脆性断裂是设备在压力下快速破裂而突然发生的故障类型。在这种情况下，材料不会出现降解或破损的迹象。在电路板中，这种类型的故障发生在焊接点处。这些断裂是由于在组装、测试和运输过程中组件中出现的拉伸应力而产生的。此外，由于受到冲击、振动和热漂移，这些裂缝的存在。

焊点脆性断裂

振动对填充板不利，尤其是在 3 类产品中。要了解更多信息，请参阅航天器的振动如何影响 PCBA.

翘曲是设备由于热和湿气而偏离原始形状的扭曲或弯曲。PCB 翘曲会在回流焊接周期中改变电路板的轮廓。翘曲的原因包括电路板设计过程中的不平衡层，过程中的热膨胀焊接（因为不同材料特性)，以及组件、散热器或防护罩的重量。

翘曲的PCB

蠕变是由温度升高和压力恒定引起的与时间有关的变形。由蠕变引起的破坏称为蠕变断裂。表面处理产生蠕变腐蚀。根据RoHS指令，电子行业必须专注于无铅表面处理。一种具有成本效益的选择是浸银，但它更有可能导致蠕变。ENIG（化学镀镍浸金）和 OSP（有机可焊性防腐剂）具有低蠕变风险。在恶劣的气氛中，蠕变失效的危险性越来越大。如今，研究人员正在研究先进的无铅饰面以降低这种风险。

蠕变腐蚀

疲劳是材料在循环载荷作用下裂纹的产生和发展。在填充板中，焊接疲劳是一个严重的故障。不一致的 CTE 是导致焊接疲劳的根本原因。CTE 确定材料在温度偏差期间的收缩和膨胀。将低 CTE 组件焊接到低 CTE 电路板，将高 CTE 组件焊接到高 CTE 电路板是一种很好的做法. 如果不匹配，由于热效应和昼夜效应，最终会形成焊料疲劳。

热故障

当部件被加热到其临界温度（例如玻璃化转变温度 (Tg)、熔点或闪点）以上时，就会发生热故障。Tg 是基材从刚性状态变为弹性状态时的温度。基材决定电路板的Tg值。如果工作温度超过 Tg，则会导致热失效，从而导致元件烧毁。

由于过热而烧毁 PCB 上的芯片

有关热故障分析，请参见减少发热的 12 种 PCB 热管理技术.

环境故障是由异物、湿气、灰尘、电涌和受热引起的。

电应力失效的原因包括静电放电 (ESD)、表面击穿、介电失效、过电压和表面俘获。

极端的电应力会导致 ESD，从而导致灾难性故障、永久性参数变化和隐藏损坏。这可能是由于高电流密度、高电场梯度和局部热形成而发生的。PCB组件当它们与任何带电物体接触时容易受到 ESD 的影响。根据两者之间的电动势和彼此之间的距离，当两者靠近时最有可能发生 ESD。

IC因过热损坏

介电故障描述了放置在两个导体之间的固体绝缘体内的电击穿。它通常与绝缘材料的刺破或分解有关。当暴露于高电压梯度时，任何材料都会在某个点破裂或刺穿。材料（样品的厚度和质量）和环境（温度和湿度）因素会影响该水平。

介电故障

板可能会沿着复合材料的纤维形成导电阳极丝 (CAF)。在此期间通过电镀，金属被注入暴露的表面，在那里它由于离子、水分和电势而迁移。玻璃树脂结合不良PCB钻孔损坏是导致此类故障的原因。由于纤维和基体的热膨胀差异，焊接后结合力减弱。无铅焊料需要更高的焊接温度，这增加了 CAF 的可能性。

导电阳极灯丝 (CAF)

包装通常是许多电子零件故障的原因。它充当电子元件和环境影响之间的屏障。热膨胀会导致损坏材料的机械应力。腐蚀性化学品和湿度可能会导致腐蚀。过大的热应力会使引线键合应力过大，导致连接松动、芯片破裂或封装破裂。湿度和随后的高温加热的影响也可能导致裂纹，从而导致机械损坏。在封装过程中，键合线可以被切断和短路。

每个组件都有有限的使用寿命。如果超过该点运行，则由于机械疲劳而导致故障的可能性会增加。在组件生命周期中，其可用性在各个阶段不断进步。当组件的生产停止时，循环结束。因此，在此生命周期终止 (EOL) 阶段采购的零件可能已过时且不符合最新的性能规格。从而导致他们过早地失败。

可以通过多次测试来识别缺陷。故障分析有助于了解故障及其预防，从而改进生产和装配过程。这里有几个重要的：

可焊性定义了在最低限度的适当条件下焊料对金属或金属合金表面的润湿。通常，电路板制造过程本身就是组装困难的原因。这是由于与氧化和不当应用有关的问题阻焊层. 为了减少这种故障，请检查元件和焊盘的可焊性，以确保表面的坚固性。它还有助于开发一个可靠的焊点.

该测试通过复制焊料和材料之间的接触来评估焊料的强度和润湿质量。它决定了润湿力和从接触到润湿力形成的持续时间。此外，它还确定了故障的原因。可焊性测试的应用包括：

• 焊料和助焊剂的评估

• 电路板涂层评估

• 质量控制

为了有效地利用这种测试，了解各种表面条件和测试方法的适当要求至关重要。

污染会导致各种问题，例如腐蚀、金属化和降解。电路板在其生命周期内必须经过腐蚀性化学溶液。此类化学品包括蚀刻液体、助焊剂、电解液等。使用这些化学品后必须进行清洁。

离子污染引起的腐蚀

污染测试计算样品中存在的离子污染物的数量。该过程包括将电路板浸入样品溶液中。该溶液溶解了改变溶液组成和值的离子杂质。然后，通过将实际水平与标准水平进行比较，可以分析污染的严重程度。应重点关注清洁过程，以避免出现故障风险。

这显微切片试验，也称为横截面，检查以下内容：

• 元件缺陷

• 短裤或开口

• 热机械故障

• 回流焊处理失败

• 原料分析

在这种方法中，从显示电路板特征的样本中切出二维切片。显微切片分析是一种破坏性测试方法，它提供了一种准确的方法来分离电子元件并将其从样品中取出。然后放入环氧树脂中固化固化。后来，使用磨损技术，将组件移除并抛光，直到它具有反射性。该测试涉及将此样品与功能部件进行比较。

6层横截面样品

自动 X 射线检测 (AXI) 确定与 IC 相关的隐藏缺陷和BGA在 PCB 中。此方法访问内部几何形状和结构组成。使用此方法可以检测到以下错误：

• 焊接缺陷如开路、短路、焊桥、焊料空隙、焊料过多和不足以及焊料质量。

• 元件缺陷，如引线翘起、元件缺失和元件错位

• BGA 错误，包括 BGA 短路和开路连接

使用 X 射线检查 BGA

发现与焊接和组装相关的问题的最流行的测试方法之一是光学显微镜或表面成像方法。该技术因其效率和准确性而广受欢迎。它使用具有可见光的高倍显微镜。该显微镜具有小景深和单平面视图并且可以达到1000X的放大倍数。它可以验证不正确的构造，这会导致应力暴露某些横截面的缺陷。

使用光学显微镜检查 PCB

如果您对常见的电子元件故障还有任何疑问，请在评论部分告诉我们。