摘要：本文詳細(xì)介紹了
金相切片的制作過程，通過采用大量圖片和舉例的方式，論述了金相切片技術(shù)在印制
電路板生產(chǎn)中的應(yīng)用，特別是在解決生產(chǎn)中出現(xiàn)質(zhì)量問題方面的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：金相切片 印制電路板 應(yīng)用
印制電路板是電子元器件不可缺少的一部分，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)，其質(zhì)量可靠與否必須通過一定的檢測(cè)技術(shù)來判定。印制電路板制造工藝復(fù)雜，若其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問題，將導(dǎo)致印制電路板報(bào)廢。那么檢驗(yàn)印制電路板須分過程中檢驗(yàn)和成品檢驗(yàn)。我們常用的檢驗(yàn)手段有用放大鏡目檢，背光檢驗(yàn)等。作為檢驗(yàn)手段之一的金相切片技術(shù)，因其投資小，應(yīng)用范圍廣，而被印制電路板生產(chǎn)廠家采用。金相切片是一種破壞性測(cè)試，可測(cè)試印制電路板的多項(xiàng)性能。例如：樹脂沾污，鍍層裂縫，孔壁分層，焊料涂層情況，層間厚度，鍍層厚度，孔內(nèi)鍍層厚度，側(cè)蝕，內(nèi)層環(huán)寬，層間重合度，鍍層質(zhì)量，孔壁粗糙度等。總之，如同醫(yī)生用x 光給病人看病一樣，它可以觀察印制電路板表層和斷面微細(xì)結(jié)構(gòu)的缺陷和狀況。本人在工作中對(duì)其有一定了解。現(xiàn)分幾方面簡(jiǎn)述如下：
1. 金相切片(Microsectioning)的制作過程
金相切片制作工藝流程如下：
抽取待檢生產(chǎn)板→ 取樣→ 精密切割到符合模具大小→ 鑲嵌→ 粗磨→ 細(xì)磨→ 拋光→ 微蝕→ 觀測(cè)
1）生產(chǎn)線上抽取需做金相切片的生產(chǎn)板。
2）用剪床切取試樣中心和邊緣需做金相切片的部分。
3）使用精密切割機(jī)，切割試樣到符合裝模尺寸大小，注意保持切割面與待觀測(cè)面平行或垂直。
4）取一金相切片專用模具，將試樣直立于模內(nèi)，讓待檢部位朝上。取一紙杯將冷埋樹脂（固態(tài)）與固化劑（液態(tài)）按2:1 體積比混合，攪拌均勻，倒入模具內(nèi)，直到樣品完全浸沒，將模具靜置10-20 分鐘，待樹脂完全固化。
5）待固化完全后，先用較粗的金相砂紙將樣品磨至接近待檢部位，再按金相專用砂紙目數(shù)由小到大的順序進(jìn)行粗磨和細(xì)磨。注意要磨到截面圓心的孔中央，且截面上兩條孔壁平行，不出現(xiàn)喇叭孔，樣品表面無明顯劃痕為止。
6）用拋光粉（粒徑0.05um），換上拋光布，對(duì)待檢表面進(jìn)行拋光處理，使待檢表面光亮，無劃痕，通過顯微鏡可觀察到平整的待檢表面的圖像。
7） 用微蝕溶液（濃氨水和30%的雙氧水按體積比9：1 的比例混合）對(duì)待檢表面進(jìn)行涂抹處理，時(shí)間約10 秒鐘，然后用清水將表面清洗干凈，吹干。
8） 將樣品的待檢部位朝下，平放于顯微鏡的觀測(cè)臺(tái)上，依據(jù)待檢部位的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)，直到能夠清晰地觀察其真實(shí)圖像為準(zhǔn)。
2. 金相切片技術(shù)在印制電路板生產(chǎn)過程中的作用
印制電路板質(zhì)量的好壞，問題的發(fā)生與解決，工藝的改進(jìn)和評(píng)估，都需要金相切片來作為客觀檢查，研究與判斷的根據(jù)。
2.1 在生產(chǎn)過程質(zhì)量檢測(cè)及控制中的作用
印制電路板生產(chǎn)過程復(fù)雜，各工序之間是相互關(guān)聯(lián)的，要最終產(chǎn)品質(zhì)量可靠，則中間環(huán)節(jié)各工序的半成品板質(zhì)量必須優(yōu)良。如何判斷過程中生產(chǎn)板的質(zhì)量狀況呢？金相切片技術(shù)將給我們提供依據(jù)。
2.1.1 鉆孔工序后的孔壁粗糙度（hole roughness）檢測(cè)
為保證印制電路板的孔金屬化質(zhì)量，必須對(duì)鉆孔后的孔壁粗糙度進(jìn)行檢測(cè)。可做試驗(yàn)板，用不同大小的鉆頭鉆孔，取樣后，作金相切片，用讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行粗糙度的度量。為了使度量更準(zhǔn)確，可將試樣進(jìn)行金屬化孔后，再做金相切片。
2.1.2 樹脂沾污和凹蝕效果的檢測(cè)
印制
電路板鉆孔時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫，而環(huán)氧玻璃基材為不良熱導(dǎo)體，在鉆孔時(shí)熱量高度積累，孔壁表面溫度超過環(huán)氧樹脂玻璃化溫度，而產(chǎn)生一層薄的環(huán)氧樹脂沾污。多層板鉆孔后,若不經(jīng)凹蝕就進(jìn)行孔金屬化，將會(huì)造成多層板內(nèi)信號(hào)線連接不通，而影響板的質(zhì)量。通過制作金相切片，可以檢測(cè)到凹蝕后，樹脂沾污的去除效果，有利于控制多層板的質(zhì)量。
2.1.3 鍍銅層厚度檢測(cè)
鍍層厚度往往是客戶對(duì)印制電路板的最基本要求，它包括基材銅箔厚度、鍍銅層厚度、孔壁銅層厚度、孔壁及表面鉛錫厚度（見圖4）。GJB 對(duì)鍍銅層厚度要求其平均厚度為25um，最小厚度20um。除可用測(cè)厚儀來測(cè)銅層厚度外，作金相切片，用讀數(shù)顯微鏡也可讀取其厚度，從而判斷是否符合國(guó)軍標(biāo)要求。我廠采用Tiger3000 金相圖像分析軟件，可以準(zhǔn)確測(cè)出孔內(nèi)任何一處的銅厚及孔口表面銅層厚度，對(duì)孔內(nèi)鍍層的判斷更直觀。
2.1.4 鍍層狀況檢測(cè)
將全板電鍍或圖形電鍍后的試驗(yàn)板，制作金相切片，可檢測(cè)孔金屬化狀況，是否有鍍層裂縫，孔壁分層，鍍層空洞，針孔，結(jié)瘤等。
2.1.5 層間重合度檢測(cè)
為保證多層板層與層之間的圖形、孔或其它特征位置的一致性，層壓工序采用了定位系統(tǒng)。但某些因素的影響，會(huì)造成層間的偏離。為此，必須對(duì)多層板進(jìn)行金相切片抽檢，以保證其符合質(zhì)量要求。
2.2 在解決生產(chǎn)過程質(zhì)量問題中的作用
印制電路板生產(chǎn)過程中，常常會(huì)發(fā)生各種各樣的質(zhì)量問題。若借助金相切片技術(shù)能較快找到解決問題的原因，及時(shí)對(duì)癥下藥，采取有效措施，節(jié)約生產(chǎn)成本，保證按時(shí)交貨，贏得顧客的滿意。先將解決某些問題作一介紹：
2.2.1 鍍層空洞問題(plating void)
鍍層出現(xiàn)空洞問題，常會(huì)引起印制電路板業(yè)內(nèi)管理人員的重視。造成鍍層空洞的原因多種多樣，而鍍層空洞的現(xiàn)象就有好幾種：①金屬化孔漏基材②金屬化孔內(nèi)鍍銅層不大于板厚的5%③孔壁與各內(nèi)環(huán)交接處出現(xiàn)鍍層空洞④孔內(nèi)出現(xiàn)環(huán)狀孔破⑤楔形孔破等。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因各異。其中孔內(nèi)漏基材的原因就有很多。
如1)鉆孔粗糙挖破玻璃纖維布，以致深陷處不能完成孔金屬和電鍍銅層，2) 孔金屬化前處理不干凈，導(dǎo)致局部化學(xué)銅層無法導(dǎo)電，電鍍銅層無法鍍上，3）孔內(nèi)有氣泡，在化學(xué)銅時(shí)，藥水無法浸潤(rùn)而未沉上銅，4）孔內(nèi)有雜質(zhì)堵塞，無法沉上銅，5）藥液濃度、溫度未達(dá)到操作范圍，6）鍍層孔壁原本良好，因過分蝕刻后，銅層被腐掉，造成破孔。
現(xiàn)在選取典型的兩種問題來進(jìn)行分析。
1.沉銅不佳。a.切片特征為：孔內(nèi)出現(xiàn)對(duì)稱狀的環(huán)狀孔破，切片中可以看見圖形電鍍銅包裹著全板電鍍銅和化學(xué)銅。b.原因分析：對(duì)稱狀孔內(nèi)無銅 ：其實(shí)質(zhì)為環(huán)狀無銅，是因?yàn)槌零~過程中，孔內(nèi)有氣泡存在，使藥液與孔壁無法接觸，從而不能發(fā)生沉銅反應(yīng)所致。
2.干膜入孔。a.切片特征：空口位置無銅，出現(xiàn)不對(duì)稱情況。b.原因分析：干膜貼膜后，板子停留時(shí)間過長(zhǎng)，且為豎直方向放板，造成干膜流動(dòng)進(jìn)入孔內(nèi)，在進(jìn)行圖形電鍍時(shí)，該位置無法鍍上銅錫，退膜后此處的干膜被除掉，蝕刻時(shí)該位置的銅也被蝕刻掉，導(dǎo)致孔口無銅。
通過對(duì)有問題的板作金相切片分析，能有針對(duì)性的在相應(yīng)工序采取對(duì)策，比如在對(duì)較小孔徑的板進(jìn)行孔金屬化時(shí)，先檢測(cè)孔內(nèi)有無殘?jiān)粲斜M量吸干灰塵，配置振動(dòng)和水平擺動(dòng)裝置，增加溶液的過濾頻率，優(yōu)化溶液參數(shù),縮短干膜貼膜后板子的停留時(shí)間等。
2.2.2 側(cè)蝕問題（undercut）
多層印制電路板的外層圖形是通過蝕刻工序而得到的。當(dāng)板經(jīng)過蝕刻溶液，去除不需要的銅層，對(duì)于電鍍鍍厚的銅板，由于積液效應(yīng)的存在，蝕刻液也會(huì)攻擊線路兩側(cè)無保護(hù)的銅面，造成象香菇般的蝕刻缺陷，對(duì)于正常的銅板在蝕刻時(shí)，蝕刻液不僅在垂直方向侵蝕線條銅層，同時(shí)會(huì)在水平方向腐蝕銅層，使蝕刻后的線條截面呈一個(gè)類似梯形，一般線底部寬于頂部，均稱為側(cè)蝕。側(cè)蝕的程度是以側(cè)向蝕刻的寬度來表示。
在生產(chǎn)中，側(cè)蝕若過于嚴(yán)重，將影響印制導(dǎo)線的精度，制作精細(xì)導(dǎo)線更不可行。而且側(cè)蝕易產(chǎn)生突沿，突沿過度，將會(huì)造成導(dǎo)線短路。通過制作金相切片，可以觀測(cè)到側(cè)蝕的嚴(yán)重狀況，從而找出影響蝕刻的原因加以改進(jìn)。對(duì)于線寬/線間距為6mil 以上的板，蝕刻線寬控制上比較簡(jiǎn)單，可增加底片線寬補(bǔ)償。而對(duì)于線寬/線間距4-5mil 的板，蝕刻線寬控制上則困難得多，一般以90%的板蝕刻干凈的速度來控制生產(chǎn)。為了減少其側(cè)蝕，通常采取嚴(yán)格控制銅濃度，PH 值，溫度和噴淋方式。比如蝕刻方式的影響，由潑濺改為噴淋，蝕刻效果好，側(cè)蝕也減小；蝕刻速率的調(diào)整，蝕刻速率慢會(huì)造成嚴(yán)重側(cè)蝕，便加快蝕刻速率；檢查蝕刻液PH 值，因PH 值較高，側(cè)蝕增大，就想辦法降低其PH 值；蝕刻液密度低也易造成側(cè)蝕，就選用高銅濃度的蝕刻液。經(jīng)過有針對(duì)性的改進(jìn)后，側(cè)蝕問題將得到很好解決。
2.2.3 鍍層分層問題
印制電路板生產(chǎn)廠家，在孔金屬化和圖形電鍍工序采用了大量藥液生產(chǎn)，若藥液體系不同，偶爾會(huì)出現(xiàn)鍍層分層的現(xiàn)象。分析其產(chǎn)生的原因，可能是印制電路板前處理效果不良，或藥液出現(xiàn)問題。究其產(chǎn)生的工序，離不開孔金屬化、全板電鍍和圖形電鍍工序。為解決問題，首先必須判斷問題產(chǎn)生的工序。此時(shí)，借助金相切片技術(shù)，可以清晰準(zhǔn)確地找出產(chǎn)生問題的工序。因?yàn)榻鹣嗲衅嚇咏?jīng)微蝕后，基銅、全板電鍍銅和圖形電鍍銅可以清晰地區(qū)分開來，故根據(jù)鍍層發(fā)生分層的位置，就可找出發(fā)生問題的工序，從而縮小范圍，能更有效解決問題。下圖鍍層分層點(diǎn)在基銅與全板電鍍銅之間。分析原因是全板電鍍前表面處理不干凈造成的，更換前處理藥液后，分層現(xiàn)象未再發(fā)生。
2.2.4 鍍層斷裂問題
電鍍銅的鍍層厚度不足及鍍層性能不佳會(huì)導(dǎo)致鍍層斷裂（孔壁與內(nèi)層互聯(lián)斷裂），鍍層厚度不夠（低于10 微米），吸潮后未烘板，在240℃熱沖擊下，也會(huì)造成鍍層斷裂。鍍層斷裂不僅影響了內(nèi)外層電路互連，而且金屬化孔的耐焊性和拉脫強(qiáng)度也不符合質(zhì)量要求。為了避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，必須保證圖形電鍍銅厚大于25 微米，在120℃條件烘板2 小時(shí)后，再進(jìn)行熱沖擊（熱風(fēng)整平或焊接）。
根據(jù)電鍍理論科學(xué)，鍍層本身應(yīng)力的大小將嚴(yán)重影響鍍層與基體的結(jié)合力。鍍層的內(nèi)應(yīng)力主要指宏觀應(yīng)力，它分為張應(yīng)力（+）和壓應(yīng)力（-），張應(yīng)力傾向使鍍層脫落，從而造成鍍層與基體分層；壓應(yīng)力傾向于使鍍層向基體貼緊，從而提高鍍層與基體的結(jié)合力。銅離子和氯離子含量增加，鍍液溫度升高，鍍層的內(nèi)應(yīng)力會(huì)下降。而且鍍液中添加劑的含量會(huì)影響鍍層的延展性，添加劑、光亮劑等的分解產(chǎn)物溶解于鍍液中，去油不凈等有機(jī)物在電鍍槽過多都會(huì)使鍍層應(yīng)力變大，延展性變差。因此鍍液成份和各工藝參數(shù)必須控制良好，才能有效提高鍍層的良好性能。否則鍍層在熱沖擊后容易在外層拐角處發(fā)生鍍層斷裂。
3. 結(jié)論
印制電路板的生產(chǎn)過程，是一個(gè)工藝流程復(fù)雜的，多工序間相互協(xié)作的過程。過程質(zhì)量控制的好壞，將直接影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量，在質(zhì)量控制方面，金相切片技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。此外，印制電路板生產(chǎn)中，總會(huì)出現(xiàn)這樣那樣的質(zhì)量問題，要很好的解決這些問題，我們要有效利用金相切片技術(shù)，發(fā)揮它快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn)確找出問題的原因。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，改進(jìn)人為失誤，進(jìn)行嚴(yán)格的生產(chǎn)管理，避免出現(xiàn)的質(zhì)量問題再次發(fā)生，使印制電路板的生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)步提高。由于本人的水平經(jīng)驗(yàn)有限，在此列舉了一些平時(shí)生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問題，與同行共享和交流。
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