金相切片技术在PCB生产中的应用

    印制电路板(PCB)是电子元器件不可缺少的一部分，广泛应用于电子行业，其质量可靠与否必须通过一定的检测技术来判定。印制板制造工艺复杂，若其中某一环节出现质量问题，将导致印制板报废。那么检验印制板须分过程中检验和成品检验。我们常用的检验手段有用放大镜目检，背光检验等。作为检验手段之一的金相切片技术，因其投资小，应用范围广，而被印制板生产厂家采用。金相切片是一种破坏性测试，可测试印制板的多项性能。例如：树脂沾污，镀层裂缝，孔壁分层，焊料涂层情况，层间厚度，镀层厚度，孔内镀层厚度，侧蚀，内层环宽，层间重合度，镀层质量，孔壁粗糙度等。总之，如同医生用x 光给病人看病一样，它可以观察印制板表层和断面微细结构的缺陷和状况。本人在工作中对其有一定了解。现分几方面简述如下：
1. 金相切片(Microsectioning)的制作过程
    金相切片制作工艺流程如下：抽取待检生产板→ 取样→ 精密切割到符合模具大小→ 镶嵌→ 粗磨→ 细磨→ 抛光→ 微蚀→ 观测
　 1）生产线上抽取需做金相切片的生产板。
　 2）用剪床切取试样中心和边缘需做金相切片的部分。
　 3）使用精密切割机，切割试样到符合装模尺寸大小，注意保持切割面与待观测面平行或垂直。
　 4）取一金相切片专用模具，将试样直立于模内，让待检部位朝上。取一纸杯将冷埋树脂（固态）
　 与固化剂（液态）按2:1 体积比混合，搅拌均匀，倒入模具内，直到样品完全浸没，将模具静置
10-20 分钟，待树脂完全固化。
　 5）待固化完全后，先用较粗的金相砂纸将样品磨至接近待检部位，再按金相专用砂纸目数由小到大的顺序进行粗磨和细磨。注意要磨到截面圆心的孔中央，且截面上两条孔壁平行，不出现喇叭孔，样品表面无明显划痕为止。
　 6）用抛光粉（粒径0.05um），换上抛光布，对待检表面进行抛光处理，使待检表面光亮，无划痕，通过显微镜可观察到平整的待检表面的图像。
　 7） 用微蚀溶液（浓氨水和30%的双氧水按体积比9：1 的比例混合）对待检表面进行涂抹处理，时间约10 秒钟，然后用清水将表面清洗干净，吹干。
　 8） 将样品的待检部位朝下，平放于显微镜的观测台上，依据待检部位的具体情况，选择适当的放大倍数，直到能够清晰地观察其真实图像为准。
2. 金相切片技术在印制板生产过程中的作用
　  印制电路板质量的好坏，问题的发生与解决，工艺的改进和评估，都需要金相切片来作为客观检查，研究与判断的根据。
2.1 在生产过程质量检测及控制中的作用
　  印制电路板生产过程复杂，各工序之间是相互关联的，要最终产品质量可靠，则中间环节各工序的半成品板质量必须优良。如何判断过程中生产板的质量状况呢？金相切片技术将给我们提供依据。
2.1.1 钻孔工序后的孔壁粗糙度（hole roughness）检测
　  为保证印制板的孔金属化质量，必须对钻孔后的孔壁粗糙度进行检测。可做试验板，用不同大小的钻头钻孔，取样后，作金相切片，用读数显微镜进行粗糙度的度量。为了使度量更准确，可将试样进行金属化孔后，再做金相切片。
2.1.2 树脂沾污和凹蚀效果的检测
　  印制板钻孔时产生瞬时的高温，而环氧玻璃基材为不良热导体，在钻孔时热量高度积累，孔壁表面温度超过环氧树脂玻璃化温度，而产生一层薄的环氧树脂沾污。多层板钻孔后,若不经凹蚀就进行孔金属化，将会造成多层板内信号线连接不通，而影响板的质量。通过制作金相切片，可以检测到凹蚀后，树脂沾污的去除效果，有利于控制多层板的质量。
2.1.3 镀铜层厚度检测
　  镀层厚度往往是客户对印制板的最基本要求，它包括基材铜箔厚度、镀铜层厚度、孔壁铜层厚度、孔壁及表面铅锡厚度。GJB 对镀铜层厚度要求其平均厚度为25um，最小厚度20um。除可用测厚仪来测铜层厚度外，作金相切片，用读数显微镜也可读取其厚度，从而判断是否符合国军标要求。我厂采用Tiger3000 金相图像分析软件，可以准确测出孔内任何一处的铜厚及孔口表面铜层厚度，对孔内镀层的判断更直观。
2.1.4 镀层状况检测
　  将全板电镀或图形电镀后的试验板，制作金相切片，可检测孔金属化状况，是否有镀层裂缝，孔壁分层，镀层空洞，针孔，结瘤等。
2.1.5 层间重合度检测
　  为保证多层板层与层之间的图形、孔或其它特征位置的一致性，层压工序采用了定位系统。但某些因素的影响，会造成层间的偏离。为此，必须对多层板进行金相切片抽检，以保证其符合质量要求。
2.2 在解决生产过程质量问题中的作用
　  印制板生产过程中，常常会发生各种各样的质量问题。若借助金相切片技术能较快找到解决问题的原因，及时对症下药，采取有效措施，节约生产成本，保证按时交货，赢得顾客的满意。先将解决某些问题作一介绍：
2.2.1 镀层空洞问题(plating void)
　  镀层出现空洞问题，常会引起印制板业内管理人员的重视。造成镀层空洞的原因多种多样，而镀层空洞的现象就有好几种：①金属化孔漏基材②金属化孔内镀铜层不大于板厚的5%③孔壁与各内环交接处出现镀层空洞④孔内出现环状孔破⑤楔形孔破等。出现以上现象的原因各异。其中孔内漏基材的原因就有很多。如1)钻孔粗糙挖破玻璃纤维布，以致深陷处不能完成孔金属和电镀铜层，2) 孔金属化前处理不干净，导致局部化学铜层无法导电，电镀铜层无法镀上，3）孔内有气泡，在化学铜时，药水无法浸润而未沉上铜，4）孔内有杂质堵塞，无法沉上铜，5）药液浓度、温度未达到操作范围，6）镀层孔壁原本良好，因过分蚀刻后，铜层被腐掉，造成破孔。
　 现在选取典型的两种问题来进行分析。
    1.沉铜不佳。a.切片特征为：孔内出现对称状的环状孔破，切片中可以看见图形电镀铜包裹着全板电镀铜和化学铜。b.原因分析：对称状孔内无铜 ：其实质为环状无铜，是因为沉铜过程中，孔内有气泡存在，使药液与孔壁无法接触，从而不能发生沉铜反应所致。
    2.干膜入孔。a.切片特征：空口位置无铜，出现不对称情况。b.原因分析：干膜贴膜后，板子停留时间过长，且为竖直方向放板，造成干膜流动进入孔内，在进行图形电镀时，该位置无法镀上铜锡，退膜后此处的干膜被除掉，蚀刻时该位置的铜也被蚀刻掉，导致孔口无铜。通过对有问题的板作金相切片分析，能有针对性的在相应工序采取对策，比如在对较小孔径的板进行孔金属化时，先检测孔内有无残渣，若有尽量吸干灰尘，配置振动和水平摆动装置，增加溶液的过滤频率，优化溶液参数,缩短干膜贴膜后板子的停留时间等。
2.2.2 侧蚀问题（undercut）
　  多层印制板的外层图形是通过蚀刻工序而得到的。当板经过蚀刻溶液，去除不需要的铜层，对于电镀镀厚的铜板，由于积液效应的存在，蚀刻液也会攻击线路两侧无保护的铜面，造成象香菇般的蚀刻缺陷，对于正常的铜板在蚀刻时，蚀刻液不仅在垂直方向侵蚀线条铜层，同时会在水平方向腐蚀铜层，使蚀刻后的线条截面呈一个类似梯形，一般线底部宽于顶部，均称为侧蚀（见图9）。侧蚀的程度是以侧向蚀刻的宽度来表示。在生产中，侧蚀若过于严重，将影响印制导线的精度，制作精细导线更不可行。而且侧蚀易产生突沿，突沿过度，将会造成导线短路。通过制作金相切片，可以观测到侧蚀的严重状况，从而找出影响蚀刻的原因加以改进。对于线宽/线间距为6mil 以上的板，蚀刻线宽控制上比较简单，可增加底片线宽补偿。而对于线宽/线间距4-5mil 的板，蚀刻线宽控制上则困难得多，一般以90%的板蚀刻干净的速度来控制生产。为了减少其侧蚀，通常采取严格控制铜浓度，PH 值，温度和喷淋方式。比如蚀刻方式的影响，由泼溅改为喷淋，蚀刻效果好，侧蚀也减小；蚀刻速率的调整，蚀刻速率慢会造成严重侧蚀，便加快蚀刻速率；检查蚀刻液PH 值，因PH 值较高，侧蚀增大，就想办法降低其PH 值；蚀刻液密度低也易造成侧蚀，就选用高铜浓度的蚀刻液。经过有针对性的改进后，侧蚀问题将得到很好解决。
2.2.3 镀层分层问题
　  印制板生产厂家，在孔金属化和图形电镀工序采用了大量药液生产，若药液体系不同，偶尔会出现镀层分层的现象。分析其产生的原因，可能是印制板前处理效果不良，或药液出现问题。究其产生的工序，离不开孔金属化、全板电镀和图形电镀工序。为解决问题，首先必须判断问题产生的工序。此时，借助金相切片技术，可以清晰准确地找出产生问题的工序。因为金相切片试样经微蚀后，基铜、全板电镀铜和图形电镀铜可以清晰地区分开来，故根据镀层发生分层的位置，就可找出发生问题的工序，从而缩小范围，能更有效解决问题。下图镀层分层点在基铜与全板电镀铜之间。分析原因是全板电镀前表面处理不干净造成的，更换前处理药液后，分层现象未再发生。
2.2.4 镀层断裂问题
　  电镀铜的镀层厚度不足及镀层性能不佳会导致镀层断裂（孔壁与内层互联断裂）（如图11），镀层厚度不够（低于10 微米），吸潮后未烘板，在240℃热冲击下，也会造成镀层断裂。镀层断裂不仅影响了内外层电路互连，而且金属化孔的耐焊性和拉脱强度也不符合质量要求。为了避免此类现象的发生，必须保证图形电镀铜厚大于25 微米，在120℃条件烘板2 小时后，再进行热冲击（热风整平或焊接）。
　  根据电镀理论科学，镀层本身应力的大小将严重影响镀层与基体的结合力。镀层的内应力主要指宏观应力，它分为张应力（+）和压应力（-），张应力倾向使镀层脱落，从而造成镀层与基体分层；压应力倾向于使镀层向基体贴紧，从而提高镀层与基体的结合力。铜离子和氯离子含量增加，镀液温度升高，镀层的内应力会下降。而且镀液中添加剂的含量会影响镀层的延展性，添加剂、光亮剂等的分解产物溶解于镀液中，去油不净等有机物在电镀槽过多都会使镀层应力变大，延展性变差。因此镀液成份和各工艺参数必须控制良好，才能有效提高镀层的良好性能。否则镀层在热冲击后容易在外层拐角处发生镀层断裂。
3. 结论
　  印制板的生产过程，是一个工艺流程复杂的，多工序间相互协作的过程。过程质量控制的好坏，将直接影响到最终产品的质量，在质量控制方面，金相切片技术发挥着重要的作用。此外，印制板生产中，总会出现这样那样的质量问题，要很好的解决这些问题，我们要有效利用金相切片技术，发挥它快速、准确的优点，准确找出问题的原因。在此基础上，通过优化工艺参数，改进人为失误，进行严格的生产管理，避免出现的质量问题再次发生，使印制板的生产质量稳步提高。由于本人的水平经验有限，在此列举了一些平时生产中遇到的实际问题，与同行共享和交流。