白蓉生《电路板微切片手册》(1)

关于《电路板微切片手册》一、白蓉生教授自序微切片（Microsectioning)技术应用范围很广，电路板只是其中之一。对多层板品质监视与工程改善，倒是一种花费不多却收获颇大的传统手艺。不过由于电路板业扩展迅速人材青黄不接，尤其是纯手艺的技术员更是凤毛麟角。虽然每家公司也都聊备设施安置人员，也都有模样的切磨抛看，然而若就一般判读标准而言，则多半所得到书面的成绩，虽不至惨不忍睹的地步，多也只停留在不知所云的阶段。考其原因不外：客户内行者太少、老板们不深入也不重视，工程师好高骛远甚少落宝基本。是以在欠缺教材乏人指导下，当然只有自我摸索闭门造车了。至于国外同业的水准，经笔者多年用心观察与比较下，除了设备比我们贵与好之外，手艺方面则不仅乏善可陈，而且还颇为优越自大。甚至IPC贩售录影带中的讲师，也只是西装笔挺振振有词，根本拿不出几张晶莹剔透眉清目秀的宝物彩照，何况是经年累月众多量产的心血结晶。国外同业在诸多故障方面的累积经验，也远去国内厂商甚多。持远来和尚会念经的想法，想要从国外引进微切片技者应只是缘木求鱼竹篮打水罢了。笔者二十五年前进入PCB业，即对动手微切片发生兴趣，每每找到重点再印证于产品改善时，不仅心情雀跃深获成就感外，且种种经验刻骨铭心至今不忘。如此亲身实地之经验累积，比诸书本当然大有不同在焉。多年来共集存了二千多张各式微切片原照，特于投老之际仔细选出730张编辑成书，希望为业界后起留下一些可资比较的样本，盼在无师之下而能自通，抛开包袱减少误导。由于版面有限许多珍贵照片必须裁剪以利编辑，每在下儀之际就有切肤之痛难以割舍，实乃岁月不居件件辛苦得之不易也。本书除以全彩印刷极高成本之外，每帧照片也都绝对是费时耗力所有赀，放眼全球业界以如此大手笔成书者应属首见。本书能顺利编辑，须感谢台湾电路公司切片实验室小姐先生们之鼎力协助，若以简易切片方式而言，从广经阅历的笔者看来，台路的几位老手们应列国内之顶尖。本书某些照片即得其等慷慨馈赠，而部份内容亦在多次讨论中获益匪浅，在此特别感谢任礼君先生、余瑞珍小姐与黄国珍先生之协助，使本书更为增色。二、书目第一章琢磨好手艺1.1微切片制作--说来话又长1.2封胶后研磨--生气不争气1.3打底靠抛光--细皮嫩肉秀1.4微蚀算老几--小兵立大功1.5有照片为证--秋毫待明察第二章制程可解惑2.1图说故事十则2.2化铜厚化铜2.3电镀镍金有得瞧2.4化学镍金不好玩2.5绿漆要塞孔2.6焊接非等闲2.7黑孔话沧桑第三章品检有大千3.1孔壁怎粗糙3.2互连后分离3.3孔铜今昔3.4断角之痛3.5外环浮起3.6内环裂伤3.7何物灯芯3.8树脂缩陷/基材空洞3.9铜瘤非同瘤3.10钉头何方圣3.11粉红自黑化3.12机关枪点放3.13摺镀岂夹杂3.14回蚀反回蚀3.15断垣残壁惨3.16銮壁不借光3.17腰斩为那椿3.18绿漆会生气3.19胶渣有涂辜3.20面子出问题第四章高科技解读（欠缺）4.1深孔怎镀铜4.2按图索骥十则4.3诸葛孔不明4.4干嘛要塞孔4.5雷射烧增层4.6BGAVsCSP微切片制作（一）一、概述电路板品质的好坏、问题的发生与解决、制程改进的评估，在都需要微切片做为客观检查、研究与判断的根据(Microsectioning此字才是名词，一般人常说的Microsection是动词，当成名词并不正确)。微切片做的好不好真不真，与研判的正确与否大有关系焉。一般生产线为监视(Monitoring)制程的变异，或出货时之品质保证，常需制作多量的切片。次等常规作品多半是在匆忙几经验不足情况下所赶出来的，故顶多只能看到真相的七、八成而已。甚至更多缺乏正确指导与客观比较不足下，连一半的实情都看不到。其等含糊不清的影像中，到底能看出什么来？这样的切片又有什么意义？若只是为了应付公事当然不在话下。然而若确想改善品质彻底找出症结解决问题者，则必须仔细做好切取、研磨、抛光及微蚀，甚至摄影等功夫，才会有清晰可看的微切片画面，也才不致误导误判。二、分类电路板解剖式的破坏性微切法，大体上可分为三类：1、微切片系指通孔区或其他板材区，经截取切样灌满封胶后，封垂直于板面方向所做的纵断面切片(VerticalSection)，或对通孔做横断面之水平切片(Horizontalsection），都是一般常见的微切片。图1.左为200X之通孔直立纵断面切片，右为100X通孔横断面水平切片。若以孔与环之对准度而言，纵断面上只能看到一点，但横断面却只可看到全貌的破环。2、微切孔是小心用钻石锯片将一排待件通孔自正中央直立剖成两半，或用砂纸将一排通孔垂直纵向磨去一般，将此等不封胶直接切到的半壁的通孔，置于20X~40X的立体显微镜下(或称实体显微镜)，在全视野下观察剩余半壁的整体情况。此时若另将通孔的背后板材也磨到很薄时，则其半透明底材的半孔，还可进行背光法(BackLight)检查其昀初孔铜层的敷盖情形。图2.为求检验与改善行动之效率与迅速全盘了解起见，昀方便的方法就是强光之下以性能良好的立体显微镜(40X~60X)直接观察孔壁。这种“立体显微镜”看起来很简单，价格却高达30~40万台币，比起长相十分科技的断层高倍显微镜还贵上一倍。目前国内PCB业者几乎均未具备此种“慧眼”去看清板子。图3.用钻石儀片将孔腔剖锯开来，两个半壁将立即摊在阳光下，任何缺点都原貌呈现无所遁形。若欲进一步了解细部详情时，可再去做技术性与学理性的微切片。切孔后直接用立体显微镜观察比微切片更有整体观念，但摄影则需借助电子显微镜SEM才会有更亮丽的成绩。3、斜切片多层板填胶通孔，对其直立方向进行45°或30°的斜剖斜磨，然后以实体显微镜或高倍断层显微镜，观察其斜切平面上各层导体线路的变异情形。如此可兼顾直切与横剖的双重特性。不过本发并不好做，也不易摆设成水平位置进行显微观察。图4.此明视与暗视200X之斜切片，是一片八层板中的L2/L3(即第二层讯号线与第三层接地层)，此二层导体系出自一张，0101/1的ThinCore。由于斜切的关系故GND层显得特别厚，且左图中的黑化层也很明显。三、制作技巧除第二类微切孔法是用以观察半个孔壁的原始表面情况外，其余第一及第三类皆需填胶抛光与微蚀，才能看清各种真实品质，此为微切片成效好坏的关键，关系至为重要不可掉以轻心。以下为制作过程的重点：1、取样(Samplcculling)以特殊专用的钻石锯自板上任何位置取样，或用剪床剪掉无用板材而得切样。注意后者不可太逼近孔边，以防造成通孔受到拉扯变形。此时，昀好先将大样剪下来，再用钻石锯片切出所要的真样，以减少机械应力造成失真。2、封胶(ResinEncapsulation)封胶之目的是为夹紧检体减少变形，系采用适宜的树脂类将通孔灌满及将板样封牢。把要观察的孔壁与板材予以夹紧固定，使在削磨过程中其铜层不致被拖拉延伸而失真。图5.此为Buehler公司所售之低速钻石圆儀锯，图另有单样手动削磨与抛光的转盘机，注意其儀片容易折断，需小心操作。封胶一般多采用特殊的专密商品，以Buhler公司各系列的透明压克力专用封胶为宜，但价格却很贵。也可用其他树脂类，以透明度良好硬度大与气泡少者为佳。例如：用于电子小零件封胶用的黑色环氧树脂、小牙膏状的二液型环氧树脂(俗称AB胶)、各种商品树脂，甚至烘烤型绿漆也可充用。注意以气泡少者为宜，为使硬化完全，常需烤箱催化加快反应以节省时间。为方便进行切样的封胶，正式做法是用一种金属片材卷扰式的弹性夹具，将样片直立夹入，使在封胶时保持直立状态。正式标准切片的封胶体，是灌注于杯状的蓝色橡皮模具内，硬化后只要推挤橡皮模子即可轻易将切样之柱体推出，非常方便。此种特用的橡皮模也是Buhler产品，且国内不易买到。外国客户多要求此种短柱形的切样，取其平坦度良好容易显微观察之优点，并可在体外柱面上书写文字记录。其他简易做法尚有：(1)在锯短的铝管内壁涂以脱模剂，另将样片用胶带直立在玻璃板上，再把铝管套在样片周围，务必使得下缘管口与玻璃板的表面密合，不让胶液漏出。待所填之封胶硬化后即可将圆柱取出，或改用稍呈漏斗斜壁形的模具而更容易脱模。(2)或用胶粉在热压模具中将切样填满，再以渐增之压力挤紧胶粉并赶出空气，使通孔能完全填实，随后置于高温中进行硬化而成为透明实体。某些透明材质图章内所封入的各种形象即采此法。在各种切片封体中，其外形与显微画面均以此种昀为美观。(3)将多个切样以钢梢串妥，在于特殊的模具中将此多片同时灌胶而成柱体，称之Nelson-Zimmer法。可同时研磨九个柱样，而每个柱样中又可封入五六个切片，是一种标准切样的大量做法。(4)购买现成的压克力方形小模具，将样片逐一插妥再灌入封胶即可。还可将其置入真空箱内进行减少气泡的处理。(5)昀简单的做法，是将双液型的AB胶按比例挤涂在PE薄模上，小心用牙签调刀至无气泡全透明的液态，再使切样上的各通孔缓缓的刮过胶面，强迫液胶挤入孔内。或用牙签将胶液小心填入通孔与板面的封包。然后倒插在有槽缝的垫板上，集中送入烤箱缓缓烤硬。此简易法不但好做，而且切削抛光也非常省时。不过因微视状态下之真平性不佳，高倍时聚焦回出现局部模糊的画面，常不为客户所接受，只能做内部研究之用。此简易法的画面效果与手法好坏关系极大，须多加练习。笔者之切样绝大部分都是采用本法。3、磨片(Crinding)在高速转盘上利用砂纸的切削力，将切样磨到通孔正中央的剖面，亦即圆心所座落的平面上，以便正确观察孔壁之截面情况。此旋转磨盘的制备法，是将有背胶的砂纸平贴在盘面上，或将一般圆形砂纸背面打湿平贴在之后再套合上箍环。在高速转动的离心力与湿贴附著力双重拉紧下，盘面砂纸上即可进行压迫削磨。至于少量简单的切样，只要手执试样在一般砂纸上来回平磨即可，连转盘也可省掉。以上所用的砂纸番号与顺序如下：(1)先以220号粗磨到通孔的两行平行孔壁即将出现为止，注意应适量冲水以方便减热与滑润。(2)改用600号再磨到“孔中央”所预设“指示线”的出现，并伺机修平改正已磨歪磨斜的表面（如图6如示）。(3)改用1200号与2400号细砂纸，尽量小心消除切面上的伤痕，以减少抛光的时间与增加真平的效果。图6.此亦为Buehler公司所售之多样自动削磨与抛光之转盘机(ECOMETIV原品名为NelsonZemmer)，其试样夹具(有9个样位)可自转及公转。图7.左为ECOMET自动转盘机所配备的切样夹具，共有9个样位每位可放置3~5个柱形切样(用钢梢串起)，可多样同时磨抛光。右为另一专业供应商Strvers的机种,不过此等自动机只能制作板边固定的常规切片，很难做板内的故障分析与制程研究切片。4、抛光(Poish)要看清切片的真相必须仔细抛光，以消除砂纸的刮痕。多量切样之快速抛光法，是在转盘打湿的毛毡上，另加氧化铝白色悬浮液当作抛光助剂，随后进行轻微接触之快速摩擦抛光。注意切样在抛光时要时常改变方向，使产生更均刀的效果，知道砂痕完全消失切面光亮为止。少量切样可改用一般棉质布类，以擦铜油膏当成助剂即可进行更细腻的抛光。此法亦应时常改变抛光方向，手艺功夫到家时其效果要比高速转盘抛光更为清晰，也更能呈现板材的真相，但却很费时。抛光时所加的压力要轻，往复次数要多，效果才好，而且油性抛光所得的真相要比水性抛光要好。5、微蚀(Microetch)将抛光面洗净擦干后即可进行微蚀，以界分出金属之各层面与其结晶状况。此种微简单，但要看到清楚细腻的真相却很不容易，不是每次都会成功的。效果不好时只有抛掉不良铜面重做微蚀。微蚀液配方如下：“5~10cc氨水+45cc纯水+2~3滴双氧水”混合均刀后即可用棉花棒沾着蚀液，在切片表面轻擦约2~3秒锺，注意铜层表面发生气泡的现象。2~3秒后立即用卫生纸擦干，勿使铜面继续变色氧化，否则100X显微下会出现暗棕色及粗糙不堪的铜面。良好的微蚀将呈现鲜红铜色，且结晶分界清楚层次区隔井然的精彩画面。此时须立即摄影保存，以免逐渐氧化变丑。不过当微蚀仍未能显现“秋毫”时还需再来过。图8.左1000X画面之抛光成绩非常良好，可惜未做微蚀看不见铜层的组织。右200X正片法者微蚀良好，各种缺失一目了然