PCB微切片

物理實驗室微切片講儀一、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，大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及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。若以孔与环之对准度而言，纵断面上只能看到一点，但横断面却可看到全貌的破环。200X之通孔直立纵断面切片100X通孔横断面水平切片2.微切孔的制作方法:小心用钻石锯片将一排待檢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半，置于10X的显微镜下,在全视野下观察剩余半壁的整体情况。(切片厚度為1-2毫米)背光切片(BackLight)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。(此種切片作起來很困難,也不易觀察)明视200X之斜切片暗视200X之斜切片三、制作技巧微切片需填胶抛光与微蚀,才能看清各种真实品质.以下为制作过程的重点：1、取样(Sampleculling)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，最好先将大样剪下来，再用钻石锯片切出所要的真样，以减少机械应力造成失真。(本廠是採用金相切片機及沖片機取樣)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(封膠形式有很多種,本廠是购买现成的压克力成型模塊，将待檢切片固定在模塊槽中灌入冷凝胶封膠。)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。研磨時注意順著口子磨保持方向一致:(1)先用240#沙紙,粗磨到通孔的開口位置止.(注意研磨過程中适量冲水,以方便减热与滑润。)(2)改用600#沙紙磨到“孔的1/3位置”并伺机修平改正已磨歪磨斜的表面。(3)改用1200#沙紙細磨到“孔的1/2位置”所预设“指示线”的出现，并伺机修平改正已磨歪磨斜的表面。(4)改用2500#沙紙打磨去除粗糙表面“孔的1/2位置”所预设“指示线”的出现1/2位置，并伺机修平粗糙的表面。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。(1).拋光時首先將拋光粉和水對調,約4-5勺拋光粉裝入0.5升的拋光瓶內加滿水用力搖1-2分鐘,將水與粉融合.故名拋光液.(2).將拋光絨布打湿,將抛光液倒入適當在絨布上,進行拋光(3).拋光時要保持與孔的方向一致,這樣可以避免受力方向不同造成的拉傷.拋光1-2分鐘,拋亮即可.拋光良好無刮傷的良跡5、微蚀(Microetch)微蝕液的配比:5~10cc氨水+45cc纯水+2~3滴双氧水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。用棉花棒沾着微蚀液，在切片表面轻擦约2~3秒锺，2~3秒后立即擦干，否則銅面會變色氧化,良好的微蚀将呈现鲜红铜色.适當微蚀微蚀不足微蚀过度以致铜面出现氧化变暗6、照像原切片若為100分時,則由顯微鏡下看到的倒影,按顯微鏡的性能只可看到85%-95%的程度,而用照相機照下來時,也只有85%-95%,照像最難處在焦距的對準,此點困難很多.要做到對準很難,但為記錄溝通起見,照相是最好的方法.焦距適當焦距不適當四、判读微切片可以檢驗到的項目有:4.1、空板通孔切片(含喷过锡的板子)可看到各种现象有：板材结构、孔铜厚度、孔铜品质、孔壁破洞、流锡情形、钻孔对准、层间对准、孔环变异、蚀刻情形、胶渣情形、钻孔情形(如挖破、钉头)、灯芯渗铜、孔铜拉离、反蚀回、环壁互连品质(ICD)、粉红圈、点状孔破(WedgeVoid)等，因整孔剂浮游颗粒而发生的镀铜空心瘤纯钯直接电镀与镀铜后所发现的粉红圈与楔形孔破(WedgeVoid)4.1.1孔銅厚度孔銅厚度至少在0.8mil以上,微蝕良好時可清楚的看出一次銅二次銅甚至厚化銅的層次,要注意有些制程會出現孔銅厚度差別很大的情形,由切片上左右兩條銅壁厚度可明顯的看出.鍍層均勻鍍層不均线路电镀负片法之孔铜是由化学铜、一铜与二铜所共组成正片法全板电镀铜系在PTH孔壁金属化之后（如化学铜或其他各种直接电镀法），即全板镀铜直到完成孔壁铜厚之要求随即以干膜进行盖孔式（Tenting）的影像转移，再直接蚀刻.一铜二铜化学铜4.1.2孔銅完整情形1.銅瘤是否有銅瘤(Nodule)夾雜物(Inclusion)孔口之階梯式鍍層(Stepplating)及銅層結晶情形.一銅鍍銅不均形成的铜瘤鑽孔毛刺造成,鍍一銅時,形成的瘤狀毛头若出现在非插件孔用途的孔口，只要不断落,可能造成短路的危机.但對插件孔而言，會造成困扰.由铜箔延伸出所造成的瘤.一銅鍍銅不均形成的瘤因镀铜过程中有固体粒子附形成的瘤机械刷磨消除孔口之铜层毛头时，然会经电镀铜的额外增时常只将毛头压入孔中并未真正剥除。当厚，终至形成孔口的塞孔铜瘤.因镀铜过程中有固体粒子附著，再被铜层所加厚造成的瘤粒，与钻孔并无关系.如圖附著物是一铜开始不久就附上，再被后续包围而成的夹杂物。须知槽液中各种浮游固体粒子常会著落而成镀瘤（注：垂直挂镀的板子，其孔内流速很小，愈是深孔愈糟糕）薄膜状外来物或未除尽之原来不良皮膜会在板面铜层上被后来镀层所包围夹杂孔壁上两个看似摺镀的瘤状物，其实是钻孔挖陷在很厚的镀铜孔壁相互挤紧之下而成的一种异常空虚鸿沟原因是铜面钝化膜清除尽致使附著力不敌热应力而出现的異常一铜槽液中有导体粒子附在孔口影像转移后续镀二铜时所包夹填补而成一铜后有非导体粒子附在孔口，以致二铜与锡铅都镀不上以上三图分别为同一位置放大100X、200X、500X的切片情形，从小心抛光及仔细微蚀的画面上，可清楚的看到该垂入孔内的大尾巴，是从电镀铜槽液中浮游物陷入孔内，经镀铜包围后所延伸出来的.经抛光微蚀后發現此孔塞问题来自镀铜制程的管理不当与药水的質量的問題.4.13孔壁镀铜层破洞(孔破)IPC-6012对“孔壁镀铜层破洞”称之为PlatingVoid并指出Class2的板类，在每个试样切片中“只允许出现一个破洞”，且还须符合规定，即：一、不管镀层破洞的长度或大小，每个切样上只许出现一个。二、所出现的破洞不可大于板厚的5％。三、孔壁与各内环交接处不可出现镀层破洞。四、不许出现环状孔破（CircumferantialVoid,俗称RingVoid).一旦出现破洞者，还需自同批板中另外加做切片，当后者完全不再出现孔破时，上述有孔破的试样才能允收。IPC-6012在此种规格中似乎不够严格，当杯状的孔铜壁有破洞时，可能会对插焊的填锡喷气，而推开液锡造成吹孔（BlowHole)。但此等孔破对通孔另一种功能的互连导通影响并不大。發生孔破的原因主要有:一、钻孔粗糙挖破玻织布，以致深陷处不易完成金属化及电镀铜层。二、PTH前处理不良，以致局部化学铜层或直接电镀层等，无法有效建立导电的基地，电镀铜自然也不易进入。三、直接电镀处理不良，或事后又出现脱落，此时通孔中间常出现环状孔破。四、楔形孔破（WedgeVoid)或称“连续点状孔破”，将另阅专文讨论。五、镀铜孔壁原本良好，但事后又被其他制程（如锡铅层不良）所弄破甚至咬断者，因鑽孔不良導致的孔破因由于PTH或化学铜不良導致的孔破由直接電鍍活化不良所形成的破洞树脂表面活化不足导电不良造成的孔破1、油默阻剂(湿膜阻剂)完成一次铜才加印油墨阻剂，再镀二次铜与锡铅后所做之切片.由此可了解油墨阻剂的边缘是扁平渐薄的。致使二铜与锡铅很容易就横向增加宽度而将油墨包夹其中剥膜及蚀刻后尚未熔锡之画面,其二铜与锡铅之横向扩镀网印负片法熔锡后的切片4.14流錫情形可看到毛細現象的半月形流錫的結果,最高境界可看到銅錫合金(IMC)的50微吋的特殊夾層介于銅錫之間的白色長條薄層.由圖可以看出二铜镀得特别厚，不但超越油墨而且还侧爬颇远,孔环外缘截面呈现缺口2、干膜阻剂此200X画面的油墨阻剂(如同墙壁)出现异常，致使二次铜一开始往墙外恻向伸出，有了镀铜层在非导体表面建立基地，锡铅镀层当然就毫不客气顺理成章的成长，其结果不免造成板子的报废。4.1.5对準情形可由孔壁兩側的內層長短情形看出層間對準情形及鑽孔與印刷之間的對準情形.層間對準良好層間對準不夠好4.1.6蚀刻因子可看到側蝕(undercut)及算出蝕刻因子,也可看到印刷或乾膜的側壁情形.所谓蚀刻因子(F)系指向下的蚀深V，除以侧蚀X所得商值F之谓也(F=V/X)。而X定义是指“从阻剂边缘横量到最细铜腰之宽距而言”VX同一孔壁处被咬薄的放大特写镜头，其两端虽已塞有绿漆，但可能仍留有细缝，造成蚀刻液的毛细渗入而局部咬薄的现象。由于过度蚀铜而未将铜盐彻底去掉，以致造成化学镍层的浮离，或进一步掏空现象铜面前处理不良时，化学镍虽可镀上去，但当镍层之内应力太大时，产生浮离现象4.1.7胶渣可看到除膠渣或回蝕(Etchback)的情形,過度除膠造成玻璃突出孔壁粗糙以致孔銅不平整也可能造成吹孔,除膠渣不足時,內層與孔銅之間有黑線分隔(Separation)出現.由于FR-4环氧树脂的Tg约在1300C左右，而钻孔时钻针与板材强力摩擦所产生的温度甚高，又因玻纤树脂与碳化钨（TungstenCarbide）均为不良导体，故累积的热量常使得孔壁瞬间温度高达200°C以上使得部份树脂被软化而成为胶糊，随着钻针的旋转而涂满孔壁，各内孔环的侧铜面也自不能幸免，冷却后变成胶渣(Smear)膠渣會影響孔环与铜壁的互连IPC-6012对此明文规定:过份除胶渣所造成的回蚀深度的不可超过1mil。内层孔环与孔壁之间有未除尽的残余胶渣镀上的铜壁又被拉开的情形一面镀一面不断被拉开的情形重铬酸过镀除胶渣造成孔壁表面的树脂全部溶出，其缩陷造成断点整齐的玻纤束突出除膠渣良好圖片未做除胶渣的双面板孔铜壁经喷锡后退即出现了罕见的严重拉离(PullAway)通孔直立切片上看到的不管是原本就存在的胶渣(Smear)分离，或是后续高温中才发生的分离，甚至互连处部份夹杂物或分离等，IPC-6012在表3-7中对Class2的板类也规定一律不能允收过度钉头几乎一定会出现较大的挖破，出自钻孔的纵向玻璃纱束之挖破，除与钻针尖部的刃角损耗有密切关系外，也与钻针的偏转（RunOut)或摇摆（Wobble)有关过度除胶引起的孔壁粗糙度轻微的撞破引起的孔壁粗糙度及釘頭由于玻织纱束中的破洞造成的孔壁粗糙度画面右边的黑洞及中央的断层，由于落差太大连化学铜与一次铜都镀不上，可见粗糙之严重性。这种由于玻织布中断纱太多而不良的基材板，进而又造成孔壁的粗糙，並不是鑽孔造成的粗糙度因鑽針不够锐利撞断“某一”画面上“立式”纵向的玻织纱束而造成的孔壁粗糙度因钻孔不良而引起的孔壁粗糙(挖破)為減少因鑽孔不良引起粗糙度,PCB正厂对钻针与钻孔的管理原则是：一，“0.062”厚的板子一般叠三片高；二，全新钻针经1500击（Hi