电路板之微切片与切孔

1.概述  
   
  电路板品质的好坏,问题的发生与解决,制程改进的情况,在在都需要微切片(microsectioning)做为观察研究与判断的根据,微切片做的好不好,真不真与讨论研判的正确与否大有关系在焉。一般生产线为品质监视(monitoring)或出货时品管为求品质的保证等所做的多量切片,因系在匆忙及经验不足情况下所赶出的,故至多只能看到真相的六、七成而已,有的在缺乏指导及比较情况下,甚至连一半的实情都看不到,在一片模糊及含混的影像下,能看出什么来?这样的切片有什么意义?若只是为了应付公事当然不在话下,若的确想要做好品质及彻底找出问题解决问题,则必须仔细做切、磨、抛及咬等功夫才会有清晰可看的微切片,不致造成误判。  

2.分类  
   
  电路板的解剖式破坏性切片法大体上可分为三类:  


(1) 一般切片(正式名称为微切片)  


    可对通孔区及板面其它区域灌满封胶后做了垂直切片(Vertical Section),也可对通孔做水平切片(Horizontal Section)是一般常见的做法。(见杂志NO:4 P37,附图见后)  
 
(2) 切孔  
    是小心用钻石锯片将一排通孔自正中央切成两半,或用砂纸将一排通孔磨去一半,将切半不封胶的通孔置于20x-40x的立体显微镜(或称实体显微镜)下观察半个孔壁的全部情况。此时若也将通孔的后背再磨的很薄时,则底材将呈透明状,可进行背光法(Back light)检查孔铜层敷盖的情形。  
 
(3) 斜切片(45°或30°)  
    可对多层板面区或通孔区做层次间45°的斜切,然后以实体显微镜观察45°切面上导体间的情形。
   
3.制作技巧    
  除第二类切孔法是用以观察半个孔壁的原状表面情况外,其余第一及第三类  
都需最后的仔细抛光,才能看到各种真实的情况,此点为切片的成败关键,此点至为重要不可掉以轻心。以下为制作过程的重点。


3.1取样:  


  以特殊的切模自板上任何处取样或用剪床剪样,注意不可太逼近孔边,以防造成通孔受拉力而变形,也应注意取样的方法,最好先切剪下来,再用钻石锯片切下所要的切样,减少机械应力的后患。  
 
3.2封胶  


  封胶的目的是将通孔灌满,把要观察的孔壁固定夹紧,使在磨削时不致被拖立延伸而失真,封胶一般多用特殊的尃密商品,以Buhler的各系列的尃用封胶为宜,但价格很贵,可改用其它种类,但以透明度良好硬度大,气泡少者为佳,例如:黑色用于小零件封胶用的环氧树脂,牙膏状的二液型环氧树脂封填胶,南宝树脂,甚至绿漆也可充用,注意以减少气泡为要,为使硬化完全,多需烤箱催化使快速反应。  
   
  为使切样的封胶方便进行,正式的方法是用一种卷挠式的弹簧夹具,将样片夹入,使在封胶时保持直立状态。正式切片的封胶体是灌注于圆柱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样片圆柱推出,非常方便。此种特用的橡皮模也是Buhler 的产品且国内不易买到,一般较麻烦的做法及简易的做法有:  
3.2. 1在锯短的铝管内壁喷以脱模剂,另将样片用双面胶带直立在玻璃板上,再把铝管套在样片周围,要使管的下缘与玻璃板的表面密合,使胶液不致漏出,待硬化后即可将圆柱取出或改用漏斗斜壁形的模具更容易脱模。  
   
3.2.2用胶粉在热压模具以渐增之压力使能灌满通孔并同时进行硬化成为实体,在各种切片圆体中,以此种最美观。  
   
3.2.3将多个切片以钢梢串起,在于特殊的模具中将多片同时以液胶灌满,同时可磨多片,称为Nelson-Zimmer法,可同时磨九个圆柱,而每个柱中可封入5.6个切片之多,是一种大量的做法。  
   
3.2.4用购买现成的压克力模具,将样片置入,封胶即可。  
   
3.2.5最简单的做法是将胶体涂在PE纸上,使切样上的各通孔缓缓的刮过胶面,强迫胶膏挤入孔内,然后倒插入木板槽缝中,集中入烤箱,使其烤硬,也可改用绿漆填胶。  
   
3.2.6少量切样可用竹签条直接在孔口处填胶,然后直立烤硬,最后两种因胶体很少,故磨削时间能够节省,但要保持磨面的水平,要靠功夫及手势了,但真正的好切片是由此种简单的方法做出来的。


3.3磨片(Grinding) :


  是利用砂纸的切削力将样片磨到孔的正中央,以便观察孔壁断面情况的步骤。为节省时间大量制作,多用快速转盘做快速磨削法,可用有背胶的砂纸贴在盘面上,也可用边缘匝状固定器将纱纸固定,或纸有中心洞套入转轴心上,在水湿及高速转动时;砂纸会平贴在盘面上而可以进行磨削。少量简单的切样只要用手在一般砂纸上平磨即可连转盘也可省掉,以上所用的砂纸番号以下述为宜。


3.3.1 220 号粗磨到孔壁断层的两条并行线将要出现为止,注意要喷水或他种液体以减热。  
   
3.3.2改用400号再磨到 “孔中央”的“指示线”出现。  
   
3.3.3改用600号以上细砂纸轻磨几下,以改正不平行的斜磨即可。


3.4抛光(Polish)  


  要看到切片的真相,必须要做仔细的抛光,消除砂纸的刮痕。大量时,转盘式毛毯加氧化铝悬浮液当做助剂,做转微接触式的抛光,注意在抛光时要时常改变切样的方向,使有更均匀的效果,直到砂痕完全消失为止。少量切样可改用一般布头,及擦铜油膏即可进行,也要时常改变抛动的方向,前后左右以及圆周式运动,手艺功夫做的好时,效果要比高速转盘抛光要更为清晰,更能保存真相,但较费时。抛光的压力要轻,往复次数要多,效果才更好,而且油性抛光所得铜面的真相要比水性抛光更好。


3.5微蚀 (microetch) :


  将抛光面用水或稀酒精洗净及吹干后,即可进行微蚀,以找出金属的各自层面,以及结晶状况,此种微蚀看似简单,但要看到清楚细腻的真像,却很不容易,不是每次一定成功的。不行时只有再轻抛数次,重做微蚀,以找出真像。微蚀液配方如下:  
   
“10 cc氨水 + 10 cc纯水 + 2?3滴双氧水”  
   
  混合均匀后,即可用棉花棒沾液,在切片表面轻擦约2秒钟,注意铜面处发出气泡的现象,2?3秒后立即用水将蚀液冲掉,并立即用卫生纸擦干,勿使铜面继续氧化,否则100x显微下会出现棕黑色及粗糙不堪的铜面,良好的微蚀将呈现鲜红铜色,且结晶及分界清楚。  
   
  注意上述微蚀液至多只能维持1小时,棉花棒用1-2次后也要换掉,以免污染切面上铜面的结晶。读者需多做摸索,自可找出其中原由。  
   
  早期用“铬酸(Cr03)加入少量硫酸及食盐的方法”已经落伍,而且会使锡铅层发黑,不宜再用,氨水法则锡铅面仍呈现洁白,其中常见之黑点分布那是铅量较多区现象。  
   
  要做研究判断的切片必须要做仔细的抛光及微蚀的工作,否则只有白费功夫而已,一般出货性大量的切片,只好集体抛光,检查前再做微蚀,如此至少也可看到真像8.9分。


3.6照像  


  原抛光片若为100分时,则由显微镜下看到的倒立影像,按显微镜的性能只可看到85%?95%的程度,而用拍立得照下来时,最好也只有80%?90%,经拍立得像片再翻照成幻灯片时,当然更要打折75%?85%了,但为求记录及沟通起见,照相是最好的方法了,此种像片价格很贵,一定要有画面才去面影,否则实在毫无意义。照像最难处在焦距的对准,此点困难很多。  
   
3.6.1 目视焦距与摄影焦距不完全相同,不可以目视为准,需多牺牲几张找出真正摄影焦距来。  
   
3.6.2曝光所需之光量=光强度x时间,好的像片要尽量使时间延长及减少光强度,加上各种滤光片后可得各种不同效果的像片。  
   
3.6.3影像表面须平整,否则倍数大时,(100x以上)会出现局部清楚局部模糊现象,得像后,要阴干透彻后才得触摸,避免造成画面受损。
   
4.判读﹕


  切片的画面清晰可爱只是制件手法,要能判读画面所出现的各种现象,并利用作为决策的根据,则更需丰富的电路板学识才行,尤其是成因及改进的方法更要学识与经验的配合才行,无法在短时间内所能凑功的。以下将就常见的各种缺点配合幻灯片的讲解,让者能做较深入的了解。  


4.1空板通孔直切切片(含炸过油或喷过锡的板子)可看到各种现象有:  


  板材结构、孔铜厚度、孔铜完整情形、破铜(VOID)、流锡情形、钻孔对准及层间对准(layer to layer regisatration)、平环(Annular ring)、蚀刻情形、胶渣(Smear)情形、压板及钻孔情形、(有挖破Gouging、钉头、Nailheading )、渗铜扫把(Wicking)、孔铜浮离(Pullaway)、反蚀回(Negative  Etchback)等,现分述于下:  
   
4.1.1孔铜厚度  


  至少在1 mil以上,微蚀良好时可看清楚一次铜二次铜甚至厚化铜的层次,要注意有些制程会出现孔铜厚度差别很大的情形,由切片上左右两条铜壁厚度可明显的看出。
   
4.1.2孔铜完整情形


  有否镀瘤(Nodule)夹杂物(Inclusion)孔口之阶梯式镀层(Step plating)及铜层结晶情形。
   
4.1.3破铜


  一个切片只允许有三个破洞出现,破洞是焊锡时吹孔(Blow Hole)最大原因,若破洞出现在直切片的同高度时,可解释或判定为全孔环断。
   
4.1.4流锡


  可看到毛细现象的半月形流锡的结果,最高境界可看到铜锡合金(IMC)的50微吋的特殊夹层介于铜锡之间的白色长条薄层。
   
4.1.5对准情形  


  可由孔壁两侧的内层长短情形看出层间对准情形及钻孔与印刷之间的对准情形。
   
4.1.6蚀刻


  可看到侧蚀(undercut)及算出蚀刻因子,也可看到印刷或干膜的侧壁情形。
   
4.1.7胶渣


  可看到除胶渣或回蚀(Etch back)的情形,过度除胶造成玻璃突出孔壁粗糙以致孔铜不平整也可能造成吹孔,除胶渣不足时,内层与孔铜之间有黑线或分隔(Separation)出现。
   
4.1.8钻孔及压板


  孔壁是否有粗糙及挖破情形,钉头是否超过50%,压板后介电层是否太薄(Dielectic thickness)。
   
4.1.9渗洞


  原因是六价铬除胶渣液吃掉玻璃表面的硅氧层后而出现铜层的沉积渗入,但不可超过 1 mil。
   
4.1.10孔壁浮离


  系由于铜层应力太,化铜附着力不良,造成受热后的大片浮起。
   
4.1.11反蚀回


  可能是PTH 过程中微蚀过度所造成,此时内层会稍有退回,很可能在一次镀铜时已镀上的化铜层再浮起,再经电镀的继续加厚造成浮起部份及底材部份都同时镀铜,要很高明的手法才能看出真相。  
 
*注意上述各种缺点,若是用简单式的手涂胶切片时,尚可进一步小心再做水平切片,做深入的再证明,但若为圆柱形的正式切片时,则无能为力了。  


4.2灌过锡的通孔切片:  


  (一般均与288℃,10秒钟之热应力试验)可看到下列各种情形:


4.2.1断角(Corner Cracking)  


  高温焊锡时,板子产生较大的Z方向膨胀,若镀铜层本身的延展性不好时,(至少要10%的延性.062的板子才不会断角),就会在转角处被拉断,此时要做镀铜槽的活性炭处理才能解决问题,孔铜断裂也可能出现在其它位置。  
 
4.2.2树脂下陷(Resin Recession)


  孔壁在焊锡前都完整无缺,灌锡后因树脂局部硬化不足,或挥发逸走,造成局部下陷自孔铜背后缩下, (见杂志NO6.P30)。  
 
4.2.3压数空洞(Lamination Void)


  情形类似板子A区(热区)树脂下陷,但此种空洞却出现在板子的B区(压板区,或非通孔区)严重时,甚至出现分层。  
 
4.2.4配圈浮起(Lifted Land)


  由于剧烈的Z方向膨胀再泠缩回来后,热应力试验后在配圈外围所发生的浮离,但不可超过1 mil 。  
 
4.2.5吹孔(Blow hole)


  由孔壁铜层的破洞处的藏湿在高温下气化吹出 (Outgassing)能把液锡赶开而形成的空洞,此种通孔称之为吹孔。  
 
4.2.6内层铜箔微裂


  由Z方膨胀所引起的,要手艺很好才看得到的。  
 
4.2.7通孔的焊锡性(Solder abity)的好坏。


4.3斜切片(45°,30°)  


  可看出各层间导体之间的关系,本层上导间黑化粉尘随流胶移动的情形,以及孔壁与内层较多接合面出现的情形,要用40x实体显微镜观察,但磨片的手艺较难,也不易照像。  
 
4.4水平切片


  简易者先将切样平置,灌胶后再以强力瞬间胶贴上一直立的握片,以方便拿磨切,此水平法可对简单的垂直切再进一步的证明,但手艺较困难,要小心慢磨以防真相误失,尤其是铜箔在1/2 OZ 或1/4 OZ时更要非常谨慎才行,稍有不平即能出错。水平切片也看出除胶渣,孔铜厚度,钻孔粗造等,一般垂直切片情形而且更能看到平切的特殊画面。例如:  
   
4.4.1粉红圈(Pink Ring ,Red Ring, Red Halo)


  系钻孔动作太猛或PTH的化铜前有酸液攻入黑化层,吃掉氧化铜露出铜金属表面的原色,此粉红圈的大小也是一种制程好坏的指标。  
 
4.4.2印刷与钻孔之间的对准情形


  最容易在平切片平切上看到全貌,平环的最小宽度,是否有破出(Break out)等现象都要比直切片更为清楚及真实。
   
4.4.3孔铜厚度的分布也比直切要准。  
 
4.5切孔:


  需用40x实体显微观察半个圆形壁的全景,可看的更完全,更接近实。情,无需用言语解释,以下为切孔的特点。  
   
4.5.1吹孔的真实情况


  在喷锡,熔锡的孔壁上,可极清楚的看到,有气体吹出的静止画面的样子,任何人一看就懂而且印象深刻,比任何文字及语言的解释都更为有效有力。
   
4.5.2未镀前的原始钻孔孔壁的情形,如纵向玻璃束被挖空崩的情形,整犁沟出现的情形。  
   
4.5.3经过无电铜(化学铜)后,可将背后尽量磨簿,做背光法检查铜壁是否覆盖(Coverage)良好或有破洞情形。  
   
  简单的做法是:  
  取─500 ml烧杯将侧壁外面及杯底外面全部贴满胶带,使杯底朝上,杯中放入─小手电筒的光源,并在杯底胶带上割出一个小长缝,使光线射出,再将切孔样片的孔面朝上正压在光缝上,由20或40 倍实体显微镜下可清楚看到孔壁玻璃上是否已盖满了铜层,有任何光点或朦胧的光漏出,即表铜层的覆盖力有问题,铜层是不透光的,必须全黑才表示铜层已覆盖完整。
 
5.结论:  
   
  切片对电路板正犹如X光片对医生看病一样,可找出问题的真相,找出生产线的苦恼所在,并找出解决的办法。良好的切片,常有意想不到的好处,使做的人有很大的成就感,是故为业界所不断的追求及研究者也。



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