Nella sua vita, breve o lunga che sia, una scheda elettronica passa sotto ad almeno due lenti di ingrandimento: quella del controllo qualità nei processi produttivi nel rispetto degli standard IPC e quella della Failure Analysis.
A volte non è facile districarsi nel labirinto delle piste lungo cui i segnali corrono sempre più veloci, tra centinaia di componenti elettronici sempre più piccoli, saldati su schede sempre più miniaturizzate, anche per questo il microscopio elettronico a scansione con microanalisi è diventato uno strumento indispensabile.
Il processo di analisi dei guasti sui circuiti stampati PCB (“Printed Circuit Board”) dipende innanzitutto dai sintomi del guasto. Dopo un rapido esame allo stereomicroscopio si vanno a cercare i principali tipi di anomalia: giunti di saldatura sospetti, danni meccanici, zone scolorite, contaminazioni, corrosioni, ecc.
Generalmente la valutazione dei guasti a danno dei componenti va eseguita su campioni incapsulati, in modo da rendere visibile il sito in cui si è verificato il guasto e analizzare la sezione trasversale dei componenti elettronici coinvolti. I guasti legati alla contaminazione o alla corrosione possono invece essere analizzati senza sezionamento e incapsulamento.
Per questo tipo di analisi la preparazione del campione è di fondamentale importanza e ogni passaggio va eseguito con la massima attenzione, in particolare per i campioni in cross-section.
– Taglio dei campioni: attenzione a non provocare la fessurazione di vetro e materiali ceramici di cui sono costituiti i componenti;
– Montaggio sul portacampioni: attenzione a non introdurre deformazione meccanica;
– Lappatura: attenzione alla possibile frattura dei materiali fragili (ceramica);
– Lucidatura: attenzione a non lasciare sul campione residui dei materiali utilizzati, come carburo di silicio oppure particelle di diamante.
Le tecniche analitiche impiegate nella failure analysis dei PCB spaziano dalla microscopia ottica alla spettroscopia FT-IR, ma l’analisi SEM-EDS resta lo strumento più completo per la caratterizzazione del sito del guasto: le immagini ad alta risoluzione permettono di identificare l’origine e le modalità del guasto, mentre l’analisi elementare può rivelare aspetti della natura chimica intrinsechi dei materiali o contaminazioni introdotte dall’ambiente esterno.
Le tecnologie di montaggio dei componenti sul circuito stampato sono due: la tecnologia tradizionale a foro passante THT (“Through Hole Technology”) e la tecnica SMT (“Surface Mounting Technology”). Alcune delle cause più comuni dei guasti dei PCB includono guasti dei componenti, microfratture, difetti di saldatura: saldature a freddo, residui di flussante, piazzole difettose o cortocircuitate, cricche nello strato saldante, a volte anche nella fase intermetallica, fori e vie corrosi, elettromigrazione, “black pads”, affaticamento termico, sovraccarico meccanico e altro.
A volte risulta impossibile allo stereomicroscopio inquadrare per intero l’area interessata dal guasto, mentre al Microscopio elettronico a scansione è possibile acquisire una sequenza di immagini e combinarle insieme in un’unica immagine ad alta risoluzione. Il contrasto generato in BSE dalla diversa composizione chimica delle saldature e dei layers del PCB permette una veloce identificazione a basso ingrandimento della zona di interesse. Salendo con gli ingrandimenti, grazie al SEM diventa possibile individuare cricche e microfratture, o eseguire misure ad esempio dello spessore della fase intermetallica. Con le funzioni spettro, mappa e profilo di linea disponibili nel software della microanalisi EDS è invece possibile caratterizzare la chimica dei materiali (ad esempio la composizione dello stagno utilizzato per le saldature, o gli spessori dei layers del PCB) e individuare eventuali contaminazioni presenti.
