現代の電気・電子製品や部品は最先端の技術を特徴としており、数年前には考えられなかった機能やサービスをユーザーに提供しています。しかし、最先端の技術と製造技術にもかかわらず、電気・電子製品や部品のエラーや故障は実世界で繰り返し発生しています。そこで本日のテーマは、PCBの故障解析です。
その理由は多岐にわたり、不適切な設計、材料の品質不良、製造仕様の不正確さなど、多岐にわたります。しかし残念なことに、電気・電子製品のエラーや故障は、不便なだけでなく、人や環境に多大なリスクをもたらす可能性があります。
PCB故障解析とは
PCB故障解析とは、製品または部品の故障原因を包括的に調査することを意味します。テストエンジニアは、幅広い技術と試験方法を駆使して、製品または部品の故障の具体的な原因を特定し、評価します。
原因が特定されれば、将来の製品不具合を回避するために、製品を修正または再開発する対策を講じることができます。また、プロトタイプ段階でエラー分析手法を活用することで、潜在的なエラーを早期に検出し、製品の発売前に弱点に対処することも可能になります。
PCB故障解析が重要な理由
製品故障は、電気・電子製品および部品メーカーにとって様々な影響を及ぼします。製品が期待通りに機能しない場合、ユーザーの失望を招き、高品質な製品を製造する企業としての評判を損なう可能性があります。また、製品故障は、多大な費用と時間を要する製品リコールや、それに伴う悪評につながる可能性もあります。
最悪の場合、製品の故障は人や財産を危険にさらし、負傷や死亡につながる可能性があります。故障解析は、メーカーが製品の品質と安全性を向上させ、類似のデバイスにおける将来の故障リスクを軽減するのに役立ちます。
MOKOテクノロジーはPCBに何をもたらすのか
故障解析に関しては、電気・電子製品および部品を対象とした幅広い試験サービスを提供しています。故障解析に加え、以下の試験サービスも提供しています。
コーティング試験/薄膜技術
化学組成、層の厚さ、コーティングの配向と品質の決定、および接着試験を含みます。
プリント基板の試験 - 例：亜鉛メッキ層の厚さと均一性の測定、層間剥離試験、はんだ耐熱性試験
検査
– たとえば、構造状態または内部欠陥を判断するための放射線テスト、曲線テストによる電気特性評価、ボール グリッド アレイ (BGA) および接続部のダイアンドプライ テスト、はんだ付け性の調査などです。
温度変化および衝撃テスト、湿度テスト、塩霧テスト後の調査を含む信頼性および動作安全性テスト。
表面分析
– X線光電子分光法（XPS）、原子間力顕微鏡（AFM）などの方法
示差走査熱量測定法 (DSC)、熱重量分析法 (TGA)、熱機械分析法 (TMA) などの方法を使用した熱分析。
化学分析
誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS)、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR)、質量分析結合ガスクロマトグラフィー (GC-MS) など。
引張試験、疲労試験、振動試験などの機械試験。
電磁両立性試験（EMC）
– ラインおよび放射線の放出ならびに耐性に関して。
プリント基板の金属化部分の亀裂
問題: 電子モジュールの故障
解決策：金属組織学的横断面
結果: ビアメタライゼーションの亀裂
フリップチップコンタクト
プロジェクトHTMからの例
オイルテスト後のフリップチップ接点、
13346、NiAu/SbSn/PdAg、
2000℃で200時間
プリント基板上の堆積物
預金の調査
方法: FTIRの結果:
カルボン酸塩（カルボン酸の塩、
具体的にはアジピン酸（ヘキサン酸）とIC
預金の調査
方法: REMおよびEDX
ボンダブリフベル
多層プリント基板の故障解析
問題: プリント基板上のセンサーが熱応力により電気的に接触しなくなった
解決策：金属組織学的横断面
結果: ウェッジボンド接触が解除されました
原因: PCB と Gloptop の間に亀裂が生じ、機械的なストレスが発生しました。
汚染
説明:
銅表面の汚染と腐食により、このはんだ付け穴の錫メッキに問題が発生しました。さらに、銅表面に欠陥（明るい部分）が見られ、そこから下地材が透けて見えます（銅の層厚が薄すぎる）。これは許容できないエラーであり、後のはんだ付け工程で未はんだが発生する可能性があります。
原因/改善策:
• 製造業者の製造上の電気的欠陥
部品のクレーター
金層
説明:
電気めっき工程におけるエラー。マークされた箇所では、電気めっきによる金の析出量が少なすぎます。下地層（Ni）に腐食の初期兆候が見られます。はんだ付け工程では、はんだ付けエラーのような許容できないエラーが発生する可能性があります。
原因/改善策:
• 電気めっき工程の欠陥
• プリント基板の準備（洗浄、下地）が不十分
欠陥のある金層
結び目の形成
説明:
金めっき表面下のNiバリア層に結節が形成されています。電気めっき工程における電流分布の不都合により、中間層に多数の結節（下図の断面図参照）が形成され、金めっき層を突き抜けています。全体像では、これらの結節が明瞭に確認できます。はんだ付けや接触不良が発生する可能性があるため、この回路基板は使用しないでください。
原因/改善策:
電気めっき工程で中程度のNi層が不足し、上部の金層を突き破る
結び目の形成
中断
説明:
配線の途切れ。プリント基板製造時のガルバニックプロセス（減算プロセス）におけるエラーにより、配線の一部がエッチングで除去されました。このエラーはフォトレジストの欠陥を示しています。製造エラーです。
PCB製造における電気めっきエラー
メーカーのフォトレジスト/プロセスエラー
部分的な中断
説明:
上記と同じ接続ですが、トレースが完全に分離されていません。電気的機能は確保されていますが、後々、電気負荷がかかった状態でプリント基板の機能に問題が発生する可能性があります。
電気めっきの欠陥 PCB生産
メーカーのフォトレジスト/プロセスエラー
導体の線路の部分的な中断
異物混入
説明:
トレースに異物が混入しています。これはおそらく基材のグラスファイバーです。この異物によりトレースの厚さが減少するため、このエラーは許容できません。
原因/改善策:
PCB製造の失敗
塗装面の凹凸
原因/改善策:
• カバーマスクは不適切
• プリント基板表面の汚染
• 塗装の熱負荷不足
原因/改善策:
• 塗装工程におけるエラー
• ワニスの剥離
説明:
コーティングの理想的な位置からのずれ。これは最も一般的な誤差であり、後のはんだ付け品質に非常に大きな影響を与えます。なぜなら、（図に示すように）濡れ面が大幅に減少したり、完全に見えなくなったりする可能性があるからです。これは許容できない誤差です。
カバーコーティングのオフセット
説明:
理想的な位置と比較したコーティングのオフセット。
原因/改善策:
塗料のコーティング工程におけるエラー
ワニスの剥離
レイアウト関連のエラー（露出）
インクルージョン
説明:
塗装の下に未定義の粒子が混入しています。このエラーにより、ショート（導電性の混入）が発生します。
原因/改善策:
メーカーの製造ミス
コーティングされていない基材の汚染
欠陥
説明:
コーティングの部分的な欠陥、コーティング層の厚さの不均一性。この欠陥は鋳造工程でのみ観察されます。プリント基板上の塗料の分布が不均一なため、欠陥（塗料が完全に塗布されていない）も発生しました。露出した導体の引っ張りは腐食を引き起こし、アセンブリの電気的動作に影響を与える可能性があります。
原因/改善策:
塗装工程の欠陥
使用済みのカバーニスは適していません
基材の表面が平坦でなく、塗料の伸びが悪い
コーティングの欠陥
説明:
トレースに直接塗布した塗料の不具合。はんだ付け工程において、はんだ付け穴と濡れ性トレース表面との間にブリッジが形成されるリスクがあります。この現象は、主にプリント基板の下地部分の不純物が原因で発生します。手直しが必要です。
原因/改善策:
PCBの不純物（脂肪）
塗装工程における部分的な欠陥につながるエラー
塗料への機械的影響（塗料のフラッシング）
クラック
説明:
はんだストップマスク表面のクラック（マイクロクラック）。カバーマスクの加工ミス（応力、基材の膨れ）により、塗装面にクラックが発生します。主な問題は、はんだストップマスク表面の腐食による水分の浸入です。特に電流が流れる導体では、電気的なマイグレーションが絶縁抵抗に大きく悪影響を与えるため、腐食は特に問題となります。
原因/改善策:
はんだ止めカバー不良
機械的な負荷により塗装にひび割れが生じる
ペイント処理に失敗しました
塗装のひび割れ
説明:
上記と同じ関係ですが、ここでの亀裂は輸送の影響などにより機械的に誘発されました。
原因/改善策:
プリント基板/アセンブリの不適切な取り扱い
カバーラッカーは機械的負荷に耐えられない
剥離、しわ
説明:
はんだが充填された2つの貫通電極の周囲に剥離やシワが発生しています。はんだ付け工程における熱負荷と不適切なレイアウト設計（塗料が貫通電極に近すぎる）が相まって、塗装の剥がれが生じています。
