微切片制作 1.docx
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微切片制作 1.docx
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微切片制作1
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,与分析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,到底能看出什幺来?
这样的切片又有什幺意义?
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
系指通孔区或其它板材区,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)检查其最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,最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.用钻石刀片将孔腔剖锯开来,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,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。
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刀锯,图另有单样手动削磨与抛光的转盘机,注意其刀片容易折断,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。
也可用其它树脂类,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。
其它简易做法尚有:
(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最为美观。
(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) 最简单的做法,是将双液型的AB胶按比例挤涂在PE薄模上,小心用牙签调匀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着力双重拉紧下,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,使产生更均匀的效果,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”
混合均匀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。
注意上述微蚀液至多只能维持一二小时,棉花棒擦过后也要换掉,以免少量铜盐污染微观铜面的结晶。
读者需摸索多做,才可找出其中的窍门。
早期所用“铬酸加入少量硫酸及食盐”的微蚀方法已经落伍,而且还会使锡铅层发黑,不宜再用。
氨水法得到的铜面结晶较为细腻,锡铅面仍可呈现洁白,其中常见之黑点部分即为锡铅量较多的区域。
为能仔细研究正确判断起见,切片必须要认真抛光及小心微蚀,否则只有白费力气而已。
一般出货性的多量切片,平均至多能看出七八分真相而已。
图9.左二明视400X切片系经特殊“电浆”微蚀处理,效果极为突出,第三图1000X之暗视图亦为专密处理之效果。
右400X之软板切片则为一般氨水微蚀之画面,成绩平平。
6、 摄影(Photography)
假设良好抛光表面的真正效果为100分时,则透过显微镜所看到的颠倒影像,按机种性能的好坏只约看到90~95%。
而用拍立得照像之最好效果也只有九成左右。
若再将拍立得像片转变成印刷品之画面时,当然还会有折扣存在。
为了记录及沟通起见,照像还是最好方法。
此种像片之价格很贵(平均每张约台币40~50元),一定要有好画面才去摄影,否则只是无谓浪费而已。
显微照像之焦距对准最为不易,其困难点有:
(1)目视焦距与摄影焦距并不完全雷同,不可以目视为准,高倍时不免要牺牲几张以找出真正摄影焦距,并将经验传承与后续之工作。
(2)曝光所需之光量=光强度*时间,良好的像片要尽量延长时间与减少光强度,还要加上各种滤光片后才可得不同的效果,一般自动控制光量之曝光效果很难达到最好。
(3)切样表面必须极端真平,否则倍数增大时(200X以上)就会出现局部清楚局部模糊的影像。
自“拍立得”片盒中所拉出的夹层像片,要等上一分钟左右才能撕开,使能完成画面的色泽。
此时还可稍家烘烤以加速其热化老化。
随后须彻底阴干后才可触摸,以避免画面受损。
图10.左上为电脑打印画面,左上为光学摄影,后者画面质显然较佳,上二电脑画面系不易见到的最佳状态。
四、判读
切片画面的清晰可爱,只要火候到家时还不难臻至。
但要进一步判读画面所呈现的各种玄机,并用以做为决策的根据,则非丰富的电路板学养而莫办。
尤其是追究肇因与改善方法,更要学理与经验的配合才行,短时间是无法急就凑功的。
唯有不断的阅读与实做才能逐渐增进功力。
以下简介切片切孔之各种待检项目:
(详细内容请阅读“99切片手册”之说明与图片)
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,将在本手册中逐一详加讨论。
图11.上述各种品质项目均将本手册后文中以最佳画面详加叙述,此处仅举数例说明以引起读者兴趣。
左500X图可见到因整孔剂浮游颗粒而发生的镀铜空心瘤与粉红圈,右500X为“反回蚀”及“灯芯效应”之真相。
图12.左200X图为纯钯直接电镀与镀铜后所发现的粉红圈与楔形孔破(WedgeVoid),右200X者为粉红圈尚未恶化为楔形孔破之一例。
*注意:
上述所见各缺点,如系出自牙签涂胶的简单切样时,尚可进一步小心将原样再做水平切片,以深入问题的所在。
但若所检视者为正规柱形之切样,则只好无能为力了。
2、 热应力填锡的通孔切片:
(一般均为2880C,10秒钟之热应力试验)
● 断角(Corncrcracking)
高温漂锡时板子Z向会产生很大的膨胀,若镀铜层本身的延展性不好时(铜箔之高温延伸率至少要2%以上,62mil的板子才不会断角,此铜箔称为THEFoil)。
一旦孔口转角处镀铜层被拉断时,其镀铜槽液须做活性炭处理才能解决问题。
孔铜断裂也可能出现在孔壁的其它位置。
● 树脂缩陷(RcsinRecession)
孔壁背后的基材在漂锡前多半完整无缺,漂锡后因树脂局部继续硬化聚合,或挥发份的逸走,造成局部缩陷而自孔铜背后退缩之现象即为本词。
此缺点虽然IPC-6012已可允收,但日本客户仍坚持拘收。
图13.左100X漂锡后的切片可明显见到“树脂缩陷”(ResinRecession)的实像。
右为200X漂锡后断角情况,此图已超过20年,仍可明显看清焦磷酸一次铜的片状组织(LaminarStructure)。
● 压合空洞(LaminationVoid)
多层板除了在感热之通孔“A区”会产生树脂缩陷外,板子的“B区”(接受强热通孔以外的板材区)也会在高热后出现空洞,称之为压合或板材空洞。
● 焊环浮起(LiftedLand)
由于Z方向的剧烈胀缩,热应力试验后某些板面焊环的外缘,常会发生浮离,IPC-6012规定不可超过1mil。
● 内环铜箔微裂
由于Z方向膨胀所引起内环铜箔的微裂,切片手艺要很好才能看得清楚。
● 通孔焊锡好坏
图14.左图为300X垂直切片所见到内环铜箔上的微裂情形,似乎不是多了不起的毛病若另改做成500X的水平切片时,则整圈性铜箔孔环受到Z方向热胀的撕裂即赫然呈现,虽不致造成短路问题,但至少可靠度就有了瑕疵,其最简单的改善方法就是改用HTE铜箔。
图15.通孔焊锡性好坏与孔铜厚及孔壁破洞大有关系。
左上图系笔者十五年前所做的八层军用板,孔铜竟厚到2mil以上,今日看来未免觉得过分紧张。
右二50X图为零件脚插焊接时,因孔铜厚度不足以致焊性不佳,且下图可看出零件脚之焊性也有问题。
图16.左100X图为漂锡后其焊锡面(SolderSide)孔环浮离翘起的精彩写真,右为孔铜壁有破窟窿(Void)存在经漂锡时,出现大量水蒸气自破口处喷出的惊心动魄情形,这种会吹气而推开锡体的PTH特称为“吹孔”。
● 吹孔(BlowHole)
孔壁铜层存在的破洞处,其所储藏的湿气在高温中会胀大吹出,把尚未固化的液锡赶开而形成空洞,此种品质不良的通孔特称之为吹孔。
3、斜切片(45°,30°)
可看出各层导体间的互动关系。
各层导体黑氧化之粉尘会随流胶而移动,可采用40X实体显微镜或高倍层显微镜去观察。
然而研磨平面的手艺较难,也不易照得出精彩的像片。
图17.左为一种八层板的L2接地层(100X)与右L3讯号线层(200X),两者系出自同一张薄基板,由于是30°斜切,故铜箔厚已夸张变厚了很多。
4、水平切片
简易者先将切样平置,灌胶及硬化后再以强力瞬间胶贴上一小时直立的握点,以方便捏紧进行切磨与抛光。
已完成的简易切样还可再做水平切片,以进一步证明缺点之真相。
但此手艺却较困难,要小心慢磨以防误失真相。
尤其是铜箔在1/2oz时要非常谨慎才行,稍有不平即将出错。
水平切片也可看到除胶渣、孔铜厚度、钻孔粗糙等异常情形。
图18.左为200X之轻微胶渣(Smear)。
右为同一样板之100X水平切片,其孔孔环与孔壁间不规则分布的残余胶渣昭然若揭。
水平切片的特殊画面可从粉红圈、孔环也孔间的对准情形、水平孔铜厚度等项目上,看得更清楚体会得更真实。
5、切孔
需改用40X实体显微镜去观察所余半壁的全景,如此可看得更完全,更接近实情,比断层画面更具说服力,以下即为切口检验的特点:
● 吹孔的真实情况:
在喷锡或熔锡的孔壁上,可极清楚看到有气体吹出的吹口,任何人一看就懂而且印象深刻,比任何文字语言的结实都更有力。
图19.左为100X之明视切孔图,系采一般截面式显微镜所摄之画面,故只有中间清楚而已。
右为切孔以后50X立体摄影,其铜瘤均已实体呈现。
● 未镀前原始钻孔经除胶渣后的孔壁情形:
如纵向玻璃束被挖破挖崩情形,整条牦沟出现的情形。
● 背光检查:
经过化学铜后之孔壁,可将背后板材尽量磨薄,以进行背光法检查铜壁是否覆盖良好或有细碎不连的微破情形。
图20.在为切孔后再把背板板材削到很薄,而看到孔壁100X的背光情形,右为200X细部真相,其中白色部分即为无铜层透光的破壁。
在缺乏高倍显微镜时,背光检查简单的做法是:
取一500mil烧杯将侧壁及杯底外面全部贴满胶带,设法将杯子架高并使用杯底朝上,杯内放入一小手电筒的光源,并在杯底胶带上割出一条小长缝可使光线射出,再将切孔样片的孔面朝上放置在光缝处,另以20或40倍简易显微镜去观察,即可清楚看到孔壁玻纤布是否已盖满了铜层。
凡有任何光点或朦胧的光线漏出者,即表铜层的覆盖力有问题。
铜层本身是不透光的,必须全黑才表示铜层已完整覆盖。
五、 结论
微切片之于电路板,正犹如X光对医生看病一样,可用以找出问题的真相,协助问题的解决,而且还能破解各种新制程与新板类的奥秘。
良好的切片常有意想不到的发现,让动手的人时常获得很大的成就感。
业界工程师们实应勤加练习与广泛应用才是。
但为求快速了解板面与孔内之各种故障,以争取解决问题之时效者,则微切片不但耗时,也不一定能凑巧揭露事件的真相。
此时良好的“立体显微镜”将是最有力的帮手,可惜业界对比认知甚少,莫忘“实地观察”才是一切改善的开始。
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