台灣電路板晉升兆元產業,高良率的關鍵為何?

作者 | 發布日期 2022 年 02 月 14 日 9:00 | 分類 PCB , 晶圓 , 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


半導體產業鏈中,從元件設計、晶圓製造、封裝測試、模組組裝以至於系統組裝,漫長的生產過程中,不僅要通過層層關卡才能製造出一個成品,每道關卡也皆需測試檢驗與失效分析才能發掘產品的問題點,維護良好的產品出貨良率。

台灣 PCB 產業鏈規模創新高,檢驗分析也成重要一環

依據 TPCA(台灣電路板協會)指出,2020 年雖逢疫情,但隨著宅經濟終端需求增加、再加上 5G 助陣,帶動台灣 PCB 產業鏈規模續創新高,海內外產值達 1 兆 386 億元,晉身為兆元電子產業,未來將朝向高階、自主化的目標前進。而圍繞 PCB 產業的 PCBA 檢驗分析,也是支持產業發展的關鍵一環,閎康科技將於此篇文章深入探討 PCBA 檢驗分析技術。

在進入 PCBA 分析的主題之前,首先要先了解什麼叫做 PCBA,PCBA 的全名是 Printed Circuit Board Assembly,也就是已經組裝電子元件的 PCB。為了改善表面貼焊技術(Surface Mount Technology,SMT)或通孔焊接技術(Through-Hole Technology,THT)的製程以通過可靠度驗證,或者保證量產之後 PCBA 的出貨品質與客退分析,通常會經由非破壞與破壞性的分析方式,解析電子元件與 PCB 之間的附著情形;前者是使用 3D x-ray,後者則是用切片研磨的手法觀察元件與 PCB 之間的橫截面。

在可靠度驗證或客退品的失效分析中,通常會先建議使用 3D x-ray 做 PCBA 初步的檢視,如同斷層掃描般確認失效的類型與位置,再進一步的切片研磨到定位後,使用 SEM 拍攝高解析度的異常結構,達成無損驗證、精準定位與細微觀察之整合分析方式。

▲ 使用 3D X-ray 檢查出 solder ball 中的空洞。

▲ 3D x-ray 觀察 pin 腳插入通孔之狀態。

▲ 3D X-ray 以 3D profile 的方式展示 PCB 內部構造。

完整的 PCBA 檢驗分析 樣品製備是決定成敗的關鍵

目前 PCBA 切片研磨的樣品製備是遵循 IPC TM-650 的規範,而切片的結果判讀則主要是依照 IPC-A-610,任何外觀上以及切片上會看到的異常,IPC-610 都有評判標準,例如空洞(void)大小、裂痕(crack)、通孔(PTH)填錫高度和錫球 HIP(head in pillow)等等。

在出貨檢驗上,通常一片板子上各種類型的元件都會切一顆來觀察,並且和紅墨水實驗一起進行比對,因此在樣品製備上需要先擬定觀察的流程、安排橫截面的製備與觀察順序,如此才能完成一片完整的 PCBA 檢驗。若是客退品分析,則只會針對特定異常的元件做外觀以及切片的觀察,也可能會利用定位工具先行確認缺陷位置,再進行後續的故障分析。

在樣品的製備上,一般來說都是切在焊接處、BGA ball 或是 pin 腳上與 PCB 的接合位置,觀察錫裂、冷焊、橋接、void 大小或介金屬(IMC)厚度。這些缺陷問題與 PCB 製程以及焊接技術息息相關,比如說常見的空焊與橋接,通常是在加溫時板材彎曲造成距離變大而形成空焊,距離變小則形成橋接。

▲ 切片研磨後,觀察 solder joints 的是否有缺陷及量測 IMC 厚度。

▲ 分別以3D OM的明暗視野(同軸光與環型光)觀察焊盤坑裂(Pad Cratering)。

HIP 則是回焊的時候板子彎曲,使得板子與錫球間的距離變大,回溫時形變下降但錫球溫度已經低於熔點而形成了枕頭效應。錫裂則有幾個成因,如外力撞擊所產生的內部應力導致,或是 reflow 的高溫造成熱漲冷縮影響。透過這些失效現象的判斷來輔助監控產線,進而去對應改善製程與提升良率。

▲ 孔銅與孔壁接合力不佳造成的 hole wall pull away。

樣品切片功夫靠多年手工經驗,高度仰賴製備人員與專業分析團隊

任何分析檢測皆需注重分析的品質,而在破壞性分析品質的背後,關鍵往往是建立在樣品的製備上。在 PCBA 分析檢測的領域,主要必備的便是切片的功夫,切片的好壞會直接影響結果的判讀,如果試片研磨不在層次的正中央,尺寸量測就會失真;拋光的程度不夠,樣品上的刮痕就容易造成誤判;拋光過頭的話,材料的邊界會圓滑掉,用光學顯微鏡就拍不出好照片。因此,樣品製備人員是 PCBA 分析中最重要的一環,這些基本要求皆是建築在多年的手工經驗上。

正因 PCBA 分析高度仰賴人員的長年培育,像是閎康科技這類台灣檢測分析技術公司,其多年打造專業的 PCBA 分析團隊,即在矽導、竹北、上海與廈門實驗室培育的試片製備與 SEM 拍照的人才,才更具備獨特優勢。以豐富的 PCBA 分析經驗與專業知識,擔負客戶各類 PCBA 的分析需求,成為台灣半導體供應鏈的護城河之一。

(首圖來源:Shutterstock;圖片與資訊來源:閎康科技)