工业电子计算机断层扫描技术在印制电路板失效分析中的应用

方树森 周 波 李星星 吴俊明 何 骁

（中国赛宝实验室可靠性研究分析中心，广东 广州 511370）

0 引言

印制电路板（printed circuit board，PCB）是当前各种电子产品装联的核心基础零部件。近年来，随着PCB 行业的新材料、新设备、新技术、新工艺等的应用和逐步推广，其产品朝着高性能、高可靠性需求等方向发展，给PCB 的质量管控带来更高的全新挑战，产品发生质量缺陷和失效的风险随之增大。在PCB 质量筛查和失效分析的过程中，部分试样的价值较高，如装配多个集成电路的样品、归零失效样品、高集成化样品等，未完全确定缺陷点和失效模式前，不能轻易进行破坏性分析，需优先无损定位。工业电子计算机断层扫描技术（computed tomography，CT）作为无损检测方法，可在不接触和不破坏样品的前提下，清晰地获得PCB 二维和三维灰度图像，利用图像灰度分辨样品的内部结构组成、缺陷性质、尺寸大小等信息，成像直观，分辨率高，在PCB 品质检测中已得到推广和应用，如对过孔［1］、图像分割扫描［2-4］、线路的自动检测［5］等方面都有良好的应用效果。

目前，开路、短路、爆板分层等已成为PCB失效的常见模式，直接影响PCB的质量和可靠性，如不良品流出，会对企业的口碑和品牌造成负面影响。工业CT可为PCB产线的工艺失效和质量缺陷提供有效的无损检测技术手段，在不破坏产品的前提下，检测缺陷位置，既能发现和拦截不良品，也能深入分析失效的根本原因，进而指导产线进行优化改善，提升产品品质。本文简要介绍工业CT的设备原理、性能和技术特点，并结合其在PCB 开短路、分层等典型失效案例中的应用进行技术分享，以期为业内同行提供参考。

1 工业CT成像原理简介

1.1 工业CT工作原理

工业CT技术是一种依据外部投影数据重建物体内部结构图像的无损检测技术，其原理是通过受控状态下的射线源所产生的扇形高能X 射线，扫描并穿透待检工件后发生衰减，根据不同的衰减程度反映工件内部信息，将其转换为数字信号，形成工件的二维断层图像或三维立体图像。在PCB 失效分析中，工业CT 可360°旋转PCB 试样，从多个角度获取投影数据，得到未重叠的数字化PCB 结构影像，直观准确地展现PCB 内部的全方位信息，对观察区域模拟开展“水平切片”和“垂直切片”分析，确认缺陷的形状、位置、尺寸等信息。

1.2 仪器设备

采用蔡司Xradia 510 Versa，最大输出电压160 kV，最大输出功率10 W，理论空间分辨率可达到0.7 μm，最小可实现的体素为70 nm。探测系统采用蔡司X 射线显微镜拥有的创新探测器转台，装有多个不同放大倍率的物镜（0.4 X、4.0 X、20.0 X），每个物镜配备优化的闪烁体，可提供最高吸收衬度细节。样品台最大负重25 kg，可360°旋转，光源行程190 mm，探测器行程290 mm，最大可容纳样品尺寸为300 mm。

2 在PCB失效分析中的应用

2.1 PCB开路的CT图像特征

PCB 开路主要有导通孔开路、导线开路、内层互连缺陷（inner connection defects，ICD）等失效模式。对开路失效的无损定位方法有万用表测电阻的方式，确认开路失效的线路或通孔区域，再结合金相切片等破坏性方式观察切片截面的形貌，从而确认失效现象。对部分线路复杂、器件较多的印制电路板组件（printed circuit board assemble，PCBA）样品，无法通过导通电阻值测试精准定位，不利于开展下一步破坏性的切片分析，需要采用工业CT的手段。

通过工业CT对PCB的开路失效区域进行无损扫描，如图1所示。通孔的二维截面图像上发现孔铜存在局部孔铜厚度不足、孔铜开路（图1（a））等现象，再通过金相切片（图1（b））分析加以确认。此外，对于孔内局部无铜（图1（c））等开路失效，通过孔铜三维图像则更能清晰直观地观察缺陷现象。内层ICD 失效是通孔位置的内层互连铜层与通孔孔壁的结合界面处开路所致（图1（d）和图1（e）），经工业CT 二维信息模拟进行“水平切片”和“垂直切片”分析，能清晰观察ICD 失效的典型缺陷图像，且模拟的二维剖面图1（e）与金相切片图1（f）观察到的失效现象完全吻合。

图1 PCB开路失效示例

2.2 PCB短路的CT图像特征

随着PCB 的尺寸越来越小，布线密度越来越高，有效绝缘间距逐渐减小，导致PCB 线路间短路、电迁移等失效风险增大。对于多层PCB，短路、微短等失效发生在其内层的概率更高，借助CT 图像可快速定位短路点。内层短路失效如图2所示。PCB 通孔所在网络存在绝缘电阻偏低的现象，根据工业CT 扫描后，模拟内层“水平”（图2（a））和“垂直”（图2（b））方向对两个截面进行观察。发现PCB 内层孔环与相邻大铜皮间的隔离环位置存在异常，经金相切片（图2（c））分析可知，金属铜造成隔离环的有效绝缘间距减小，导致短路失效。PCB 内层电迁移现象是造成微短失效的常见模式之一，使用工业CT 的“垂直”切片（图2（d）），发现PCB 短路区域内层导线间存在异常，经水平金相切片分析可知，2 条导线间有铜离子迁移形成的枝晶（图2（e）），是导致PCB短路的失效原因。

图2 内层短路失效示例

2.3 PCB分层爆板的CT图像案例

PCB 的分层模式有介质层内部分层和材料界面分层2 种［6］，分层现象在外观表现为白斑或鼓泡。但存在部分分层现象不明显的情况，仅从外观上无法判断爆板分层的分层区域和分层起爆点。甚至有一些复杂的失效案例，其失效现象最初表现为产品功能性失效，例如发生开路、短路等缺陷，然而通过开展深入的失效分析，究其根因，发现是PCB 板发生爆板分层造成内层线路错位或孔铜断裂所致。因此，对于这类多失效模式混合的案例，优先开展无损定位分析尤为重要。如图3所示，对某失效样品经CT 二维剖面分析发现，PCB 的基材存在垂直裂纹和内层界面分层的失效现象；图3（a）中可见裂纹贯穿了从表层至内层的线路，PCB 层间出现错位，不同层之间的铜导线发生短接，造成层间短路，这与图3（b）中的金相切片分析结果一致。在图3（c）中，某PCB样品出现开路失效，对开路失效的通孔区域进行工业CT扫描和二维剖面分析，发现PCB的内层玻纤与树脂界面存在分层，基材分层导致孔铜被拉断，从而在功能上表现为孔铜开路失效。对此类非单一失效模式的案例，通过无损检测技术分析可避免误判，提高检测分析效率和准确性，事半功倍。

图3 爆板分层失效代表

2.4 PCB内层图形的无损检测

一直以来，PCB 内层图形、线宽和间距的质量管控，主要靠内层图形制作工序的检验人员和自动光学检测（automated optical inspection，AOI）工序检测。但压合成多层板后，常用的非破坏检测技术无法满足测量内层线路图形尺寸的需求。工业CT可在不破坏PCB结构的情况下，测量其内外尺寸，如图4所示。图4（a）为一个10层PCB经CT扫描后，得到第4层线路分布水平二维图，由图可知，线路宽度约为41.7、86.9、88.2 μm；图4（b）为第4 层对应位置的垂直二维图，测得的线宽约为41.8 和87.6 μm，与水平二维效果测试结果相同。综上可得，工业CT 对多层PCB板进行无损扫描后，在垂直和水平两个方向，不断将图像分割为较小的区域，得到待测区域的清晰线路分布情况，测量尺寸，为内层图形的无损测量提供有效的解决办法。

图4 PCB内层线路CT测量示例

3 结语

工业CT 作为一种先进的无损检测技术手段，可在不损伤样品的前提下，对样品内部结构或缺陷情况进行三维成像，具有穿透性强、分辨率高、准确性高等优点，协助完成PCB 开路、短路、爆板分层等缺陷分析及内层图形尺寸测量。工业CT在PCB 产品的质量检测、失效分析等领域有重要的应用价值，对PCB 的质量控制和生产工艺提升具有指导意义。