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PCB上的光电元器件为什么总失效？

judy — Fri, 04 Mar 2022 03:28:42 +0000

PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。

随着电子信息产品的小型化以及无铅无卤化的环保要求，PCB也向高密度高Tg以及环保的方向发展。但是由于成本以及技术的原因，PCB在生产和应用过程中出现了大量的失效问题，并因此引发了许多的质量纠纷。为了弄清楚失效的原因，以便找到解决问题的办法和分清责任，必须对所发生的失效案例进行失效分析。

失效分析的基本程序

要获得PCB失效或不良的准确原因或者机理，必须遵守基本的原则及分析流程，否则可能会漏掉宝贵的失效信息，造成分析不能继续或可能得到错误的结论。一般的基本流程是，首先必须基于失效现象，通过信息收集、功能测试、电性能测试以及简单的外观检查，确定失效部位与失效模式，即失效定位或故障定位。

对于简单的PCB或PCBA，失效的部位很容易确定，但对于较为复杂的BGA或MCM封装的器件或基板，缺陷不易通过显微镜观察，一时不易确定，这个时候就需要借助其它手段来确定。

接着就要进行失效机理的分析，即使用各种物理、化学手段分析导致PCB失效或缺陷产生的机理，如虚焊、污染、机械损伤、潮湿应力、介质腐蚀、疲劳损伤、CAF或离子迁移、应力过载等等。

再就是失效原因分析，即基于失效机理与制程过程分析，寻找导致失效机理发生的原因，必要时进行试验验证，一般尽应该可能的进行试验验证，通过试验验证可以找到准确的诱导失效的原因。

这就为下一步的改进提供了有的放矢的依据。最后，就是根据分析过程所获得试验数据、事实与结论，编制失效分析报告，要求报告的事实清楚、逻辑推理严密、条理性强，切忌凭空想象。

分析的过程中，注意使用分析方法应该从简单到复杂、从外到里、从不破坏样品再到使用破坏的基本原则。只有这样，才可以避免丢失关键信息、避免引入新的人为的失效机理。

就好比交通事故，如果事故的一方破坏或逃离了现场，在高明的警察也很难作出准确责任认定，这时的交通法规一般就要求逃离现场者或破坏现场的一方承担全部责任。

PCB或PCBA的失效分析也一样，如果使用电烙铁对失效的焊点进行补焊处理或大剪刀进行强力剪裁PCB，那么再分析就无从下手了，失效的现场已经破坏了。特别是在失效样品少的情况下，一旦破坏或损伤了失效现场的环境，真正的失效原因就无法获得了。

失效分析技术

1、光学显微镜

光学显微镜主要用于PCB的外观检查，寻找失效的部位和相关的物证，初步判断PCB的失效模式。外观检查主要检查PCB的污染、腐蚀、爆板的位置、电路布线以及失效的规律性、如是批次的或是个别，是不是总是集中在某个区域等等。

2、X射线（X-ray）

对于某些不能通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷，只好使用X射线透视系统来检查。

X光透视系统就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X光的吸湿或透过率的不同原理来成像。该技术更多地用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷和高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位。

3、切片分析

切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB横截面结构的过程。通过切片分析可以得到反映PCB（通孔、镀层等）质量的微观结构的丰富信息，为下一步的质量改进提供很好的依据。但是该方法是破坏性的，一旦进行了切片，样品就必然遭到破坏。

4、扫描声学显微镜

目前用于电子封装或组装分析的主要是C模式的超声扫描声学显微镜，它是利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的振幅及位相与极性变化来成像，其扫描方式是沿着Z轴扫描X-Y平面的信息。

因此，扫描声学显微镜可以用来检测元器件、材料以及PCB与PCBA内部的各种缺陷，包括裂纹、分层、夹杂物以及空洞等。如果扫描声学的频率宽度足够的话，还可以直接检测到焊点的内部缺陷。

典型的扫描声学的图像是以红色的警示色表示缺陷的存在，由于大量塑料封装的元器件使用在SMT工艺中，由有铅转换成无铅工艺的过程中，大量的潮湿回流敏感问题产生，即吸湿的塑封器件会在更高的无铅工艺温度下回流时出现内部或基板分层开裂现象，在无铅工艺的高温下普通的PCB也会常常出现爆板现象。

此时，扫描声学显微镜就凸现其在多层高密度PCB无损探伤方面的特别优势。而一般的明显的爆板则只需通过目测外观就能检测出来。

5、显微红外分析

显微红外分析就是将红外光谱与显微镜结合在一起的分析方法，它利用不同材料（主要是有机物）对红外光谱不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再结合显微镜可使可见光与红外光同光路，只要在可见的视场下，就可以寻找要分析微量的有机污染物。

如果没有显微镜的结合，通常红外光谱只能分析样品量较多的样品。而电子工艺中很多情况是微量污染就可以导致PCB焊盘或引线脚的可焊性不良，可以想象，没有显微镜配套的红外光谱是很难解决工艺问题的。显微红外分析的主要用途就是分析被焊面或焊点表面的有机污染物，分析腐蚀或可焊性不良的原因。

6、扫描电子显微镜分析（SEM）

扫描电子显微镜（SEM）是进行失效分析的一种最有用的大型电子显微成像系统，最常用作形貌观察，现时的扫描电子显微镜的功能已经很强大，任何精细结构或表面特征均可放大到几十万倍进行观察与分析。

在PCB或焊点的失效分析方面，SEM主要用来作失效机理的分析，具体说来就是用来观察焊盘表面的形貌结构、焊点金相组织、测量金属间化物、可焊性镀层分析以及做锡须分析测量等。

与光学显微镜不同，扫描电镜所成的是电子像，因此只有黑白两色，并且扫描电镜的试样要求导电，对非导体和部分半导体需要喷金或碳处理，否则电荷聚集在样品表面就影响样品的观察。此外，扫描电镜图像景深远远大于光学显微镜，是针对金相结构、显微断口以及锡须等不平整样品的重要分析方法。

热分析

1、差示扫描量热仪（DSC）

差示扫描量热法（Differential Scanning Calorim-etry）是在程序控温下，测量输入到物质与参比物质之间的功率差与温度（或时间）关系的一种方法。是研究热量随温度变化关系的分析方法，根据这种变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。

DSC的应用广泛，但在PCB的分析方面主要用于测量PCB上所用的各种高分子材料的固化程度、玻璃态转化温度，这两个参数决定着PCB在后续工艺过程中的可靠性。

2、热机械分析仪（TMA）

热机械分析技术（Thermal Mechanical Analysis）用于程序控温下，测量固体、液体和凝胶在热或机械力作用下的形变性能。是研究热与机械性能关系的方法，根据形变与温度（或时间）的关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。

TMA的应用广泛，在PCB的分析方面主要用于PCB最关键的两个参数：测量其线性膨胀系数和玻璃态转化温度。膨胀系数过大的基材的PCB在焊接组装后常常会导致金属化孔的断裂失效。

3、热重分析仪（TGA）

热重法（Thermogravimetry Analysis）是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系的一种方法。TGA通过精密的电子天平可监测物质在程控变温过程中发生的细微的质量变化。

根据物质质量随温度（或时间）的变化关系，可研究分析材料的物理化学及热力学性能。在PCB的分析方面，主要用于测量PCB材料的热稳定性或热分解温度，如果基材的热分解温度太低，PCB在经过焊接过程的高温时将会发生爆板或分层失效现象。

元器件造假新套路：将“木马”嵌入到 FPGA 或内存组件中

judy — Mon, 21 Feb 2022 07:25:04 +0000

作者： Gary Beckstedt，本文转载自： EDN电子技术设计

几十年来，假冒零件一直是电子产品供应链的一部分——一种隐秘的、不受欢迎的不正之风，每年给该行业造成数十亿美元的损失。

据美国政府估计，假冒半导体和其他电子零件约占国防部供应链的 15%，几十年来，这个问题以及与之作斗争一直是头等大事。

我想我可能在 1997 年左右经历了我的第一个假冒零件——甚至没有意识到它们是什么。

我在一家公司工作，送出一套组装成电路板的零件，我们遇到了这个特定零件的一系列故障。

当时，我们将其归因于错误的制造日期代码。

我们从另一个经销商那里得到了替换零件，继续工作；在那之后至少一年，每次我订购该零件时，我都排除了该特定日期代码。

十年后，当我更多地了解仿冒品时，我意识到那些部件可能不是错误的日期代码，它们可能是仿冒品。

假货更可怕
如今，假冒游戏升级了。

除了物理/传统的假冒方法（黑色浇头、重新标记或重复使用使用过的部件）之外，犯罪分子还找到了欺骗潜在客户的新方法。

最近，我听说犯罪分子将“木马代码”嵌入到 FPGA 或内存组件中，这是我们无法测试的。我们真的无法检测到这些代码，而且坦率地说，大部分针对防伪的测试都是在物理领域进行的，无论是通过显微镜还是通过 X 射线查看芯片。而且，这些测试不会捕获这些木马。因此，面对这种新威胁，我们确实必须确保您通过授权分销和直接从工厂购买来坚持使用已知的良好供应来源。

我们目前正处于供应紧张状态，因此很难找到零件——我理解这一点。尽管如此，没有人希望他们手上有假冒的情况。

以下是防伪需要考虑的一些因素。它与采购团队和您的供应商管理系统一起回到流程的开始，并确保您选择的零件处于产品生命周期的早期并且数量充足。如果情况并非如此，并且您是 OEM 并且您需要的某些部件已报废，那么这里有一些潜在的危险信号：

从与原始制造商没有合同安排的供应商开始。

他们的市场声誉如何？他们属于哪些贸易组织（例如 ECIA）？

您过去与他们相处的总体经历是什么？

并非每个未经授权的供应商都是坏的。它只会增加你的风险。而且，如果您认为风险是值得的，您的质量控制团队也可以采取措施。他们可以直接从制造商那里获得关于这些部件应该是什么样子的信息——它们是如何包装、标记的；在磁带和卷轴等上？他们是否可以一直追溯到原始制造商？当您在授权分销之外购买时，这种可追溯性非常、非常难以或不可能获得。

品质带来品质
最终，搜索掌握在您自己手中。

从授权经销商那里寻找您需要的零件。如果您失败了，找不到任何授权经销商线，那就只去找那些你有历史合作记录的独立经销商；使用你信任的人。

有时候他们需要的零件就是买不到，而且，当你处于缺货热潮中时，诱惑可能很强烈，但要强调的是，在你的产品上孤注一掷最终是不值得的。

单片机中晶振的工作原理是什么？

judy — Wed, 16 Feb 2022 08:29:22 +0000

晶振在单片机中是必不可少的元器件，只要用到CPU的地方就必定有晶振的存在，那么晶振是如何工作的呢？

什么是晶振

晶振一般指晶体振荡器，晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下的薄片，简称为晶片。

石英晶体谐振器，简称为石英晶振（Crystal oscillator），如下图椭圆物体。

而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
晶振工作原理

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。相关推荐：在MCU晶体两边各接一对地电容的原因。

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。

一般L的值为几十豪亨到几百豪亨。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100欧。

由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

计算机都有个计时电路，尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备，但它们实际上并不是通常意义的时钟，把它们称为计时器可能更恰当一点。

计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体，石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡，这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个计数器和一个保持寄存器。

石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时，产生一个中断，计数器从保持寄存器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程，令其每秒产生60次中断（或者以任何其它希望的频率产生中断）成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒。

晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

一般的晶振的负载电容为15皮或12.5皮，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22皮的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

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PCB板上片状元器件的拆卸技巧

judy — Thu, 27 Jan 2022 02:17:19 +0000

印制板上的片状元器件是无引线或短引线的新型微小型元器件，它直接安装在印制板上，是表面组装技术的专用器件。片状元器件具有尺寸小、重量轻、安装密度高、可靠性高、抗振性强、高频特性好、抗干扰能力强等优点。目前已被广泛应用于计算机设备、移动通信设备、摄录像一体机、彩电高频头、VCD等产品，发展迅速。

常用片状元器件有：（1）片状电阻器（2）片状电容器（3）片状电感器（4）片状二极管（5）片状三极管（6）片状小型集成电路。

这些片状元器件体积非常小，怕热、怕碰，有的引线脚很多，难以拆卸，给维修带来很大的困难，因而科学的拆卸方法非常重要，常用的拆卸方法如下。

1、专用烙铁头拆卸法

选购专用的“∏形”烙铁头，“∏形”头部的凹口宽度及长度可根据被拆件的尺寸确定，专用烙铁头可使被拆件两面引线脚的焊锡同时熔化，因而可方便地取下被拆元器件。也可采用自制烙铁头进行拆卸。

自制的方法：

选一段内径与烙铁头外径相配合的紫铜管，一端用虎钳夹平或锤平，钻上小孔，如图（a）所示。再用两块紫铜板或紫铜管纵向剖开展平加工成与被拆件长度相同的尺寸，并钻小孔，如图（b）所示。挫平端面，打磨干净，最后用螺栓组装成图（c）所示的形状，套在烙铁头上，加热、沾锡，即可待用。

对于两个焊点的矩形片状元器件，只要将烙铁头敲成扁平状，使端面宽度等于元器件长度，即可同时加热熔化两个焊点，取下片状元器件。

2、吸锡铜网法

吸锡铜网是用细铜丝编织而成的网状带子也可用电缆线的金属屏蔽线或多股软线代替。使用时将网线覆盖在多引脚上，涂上松香酒精焊剂，用烙铁加热，并拽动网线，各脚上的焊锡即被网线吸附。剪去已附焊锡的网线，重复几次，引脚上的焊锡逐渐减少，直到引脚与印制板分离。

3、熔锡清理法

当多脚元件用防静电烙铁加热焊锡溶化时，用牙刷或油画笔、漆刷等对焊锡进行清扫，也能很快拆下元器件。元器件拆除后，应及时清洁印制板，以防残锡造成其他部位短路。

4、引线拉拆法

此法适用于拆卸片装集成电路。用一根粗细适当，有一定强度的漆线，从集成电路的引脚内侧空隙处穿人，漆包线的一端固定在某一适当的位置上，另一端用手拿住，当焊锡溶化时，拉动漆包线“切割”焊点，集成电路引脚便与印制板分离。

5、吸锡器拆卸法

吸锡器有普通吸锡器和吸锡电烙铁两种。普通吸锡器使用时压下吸锡器活塞杆，待电烙铁将被拆件的焊点熔化时，将吸锡器的吸嘴紧靠熔点，按下吸锡器的释放钮，在吸锡器活塞杆弹回的同时，将熔锡吸走。反复几次，可使被拆件与印制板分离。

吸锡电烙铁是将普通吸锡器与电烙铁组装在一起的专用吸锡工具，其用法与普通吸锡器相同。

需要注意的是，在局部加热过程中要防静电，烙铁的功率和烙铁头的大小要适当。

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开关电源，设计电路时该如何选型元器件？

judy — Thu, 13 Jan 2022 07:47:10 +0000

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

Buck电路分析

Buck变换器是一种降压式非隔离开关电源，当开关管导通时，输入电源通过电感给输出供电，同时电感存储能量；当开关管关断时，电感通过续流二极管给输出供电；如此反复即可维持输出产生一个恒定的电压。其Buck电路拓扑结构以及电路分析计算见图1所示。

图1 Buck电路分析

Boost电路分析
Boost变换器是一种降压式非隔离开关电源，当开关管导通时，输入电源通过电感给电感充电，电感存储能量；当开关管关断时，输入电源和电感能量通过续流二极管给输出供电；如此反复即可维持输出产生一个恒定的电压。其Boost电路拓扑结构以及电路分析计算见图2所示。

图2 Boost电路分析

Buck-Boost电路分析

Buck-Boost变换器是一种升降压式非隔离开关电源，当开关管导通时，输入电源通过电感给电感充电，电感存储能量；当开关管关断时，电感能量通过续流二极管给输出供电；如此反复即可维持输出产生一个恒定的负电压。其Buck-Boost电路拓扑结构以及电路分析计算见图3所示。

图3 Buck-Boost电路分析

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