pcb微切片制作及不良分析 - 图文

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(Vertical Section)，或对通孔做横断面之水平切片(Horizontal section)，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(Back Light)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。

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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，010 1/1 的Thin Core。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(Samplc culling)

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(Resin Encapsulation) 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。也可用其他树脂类，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。其他简易做法尚有：

(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。

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(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著力双重拉紧下，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Nelson Zemmer)，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。

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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”

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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.左上为电脑列印画面，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(Wedge Void)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(Wedge Void)，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) l 断 角(Corncr cracking)

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，

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图10.此二100X画面上共有三种不同结晶的铜层呈现，ED铜箔为高电流密度所镀(1000ASF以上)，呈现柱状组织(Columnar Structure)，一次铜为焦磷酸铜镀层，呈现片状结构并有圆弧状之断层，二次铜则为硫酸铜之不规则组织，左图最外有镍层，右图有熔锡层(Solder Reflow)。

微切片制作（五）

1. 5有照片为证

从事科技工业的人务必抱持“有几分证据说几分话”的做事态度，老一代“官大学问大”或“资格老的说话”等威权与乡愿包袱，今日都要彻底丢开。对PCB的品质改善与解决问题，也都要以“求真”为出发点。就微切片而言，当场透过显微镜去看到什么才是什么，这种观点当然最好最真，但受到时空的限制，有时不得不照相留下记录，以明确证据作为事后之师。

目前的显微摄影的有两类，其一是以光学方式直接照相，透过拍力得式像机而立即取得证据。其二是将画面以电脑先行记忆与编辑，再以Print Out方式输出得像。前者画面虽逼真，但相片成本却稍贵。后者在转接之CCD与处理平台之电子元组件都处于最佳状态时，其相片效果几可与光学相片并驾齐驱，否则就会解像模糊效果很差，不过相片成本却较便宜，并可重复输出多张。

一般配备的常用光学显微镜，其价格约在台币二十万元左右。但若另加上CCD转接器之电子机组与观看监视器等，总价约近五十万。当然有了监视画面时彼此讨论，甚至远地沟通都方便多了。

图1.左上为200X透过CCD与电脑记忆并上下双光照明的相片，可清晰看见玻纤板材结构组织，对黑化层的观察也更清楚。右为同时纳入四个分割画面的电脑处理画面， 有明也有暗视还可输出多片，即方便又节省。

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图2.左为50X水平切片的拍力得摄影，由于抽出机盒后不小心随手将相片自反应药面上撕起一角，在反应不足下(正常约2分钟)，成像自然不足，警觉之余立即又贴回药面去，直到反应完成才又重新撕开，短短不到一分钟的见光竟成了如此阴阳脸的奇异 画面。右为200X水平切片之正常成像画面。

图3.一般显微摄影多采自动方式。左200X之深孔(9/1)画面系以低“光强度”与长秒曝光时间下所完成的孔铜形象。右为400X残余胶渣的画面，其曝光条件与左图相同但明亮度却提高了，故愈低倍时需使用越高的光度。

图4.左为CCD转成电脑处理输出的画面，其解像程度较容易劣化，即使新机最佳状况下，其成绩也只能与正统光学拍力得在仲伯之间而已。一旦机械老化或转换失准时则解像度将逐渐变差，而光学摄影之拍力得方式则可多年不变。

图5.左上为试样上下同时采光有电脑处理的画面，可清楚见到玻纤中的破洞。上右为成像一个月的画面左下角沾到水珠，一擦之下竟被洗掉少许。须知不够老化的彩面应尽量 避免沾到水与附着外物，否则必有损伤，下二图为背光及滤光的效果。

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微切片制作（六）

1.6 图说故事十则

电路板全流制程约有一百多站，不但漫长而且干湿杂处彼此特性差异极大。单凭现场实做只能得到一些概略性观念，若欲对每一关键处异常点深入了解时，其较好的方法就是进行微切片的观察，将回对细部精髓吸收很多。若为自己动手找出的要点，除了印象深刻了解透彻外而且还观念鲜活，这种活的智识不是从书本或经验传授中所能望其项背的。以下即以清晰之切片说明十种制程的特性。 1、 油 默 阻 剂(湿膜阻剂)

“印刷电路板”一词是指早年以印刷油墨成阻剂所制造的电路板而言，常用于较简单双面板或多层板。目前线路已变得相当密集纤细，简单的油墨与网版印刷方式只能用在大铜面的内层板，其余均于改成感光成像的干膜或湿膜，下列四图均为早年所做之切片。

图1.上左200X画面上可看出是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。注意，其孔环外缘的组合层次，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。此等由细部观察体会出的道理，要比听来的知识更为深刻且历久弥新。上右为100X干膜阻剂图为剥膜及蚀刻后尚未熔锡之画面。注意，其二铜与锡铅之横向扩镀情形。下100X图为网印负片法熔 锡后的切片，其孔环外缘截面上的缺口与上图对应已可清楚的自我解释其成因。

图2.此200X图面上二铜镀得特别厚，不但超越油墨而且还侧爬颇远，当完成去墨与蚀刻 即出现如上的庞然景象。此孔环外缘截面所呈现的缺口，其层次组成的来龙去脉是否历历如绘无需赘言了？

注意，前图1二画中孔口之铜箔，被垂直旋转的磨刷轮将孔口前缘削薄的情形，但本图的孔口系处于板子前进中垂直旋刷的后缘，除铜箔未被削薄外，孔口毛头也被压平。此种孔口前后有异的细部情形，也可从切片上看得一清二楚。 2、干 膜 阻 剂

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图3.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。

图4.上左50X者为干膜后完成二铜与锡铅镀层之画面，上右100X图为黑孔法板面镀厚铜与锡铅尚未蚀刻之画面。下左为早期之军用板，为小心起见先镀两次铜，再做干膜影像转移及镍线路铜与锡铅，画面已剥膜但尚未蚀刻。下右100X画面亦为早期军用板，在镀两次全板铜后(第二次特别厚)，随即以干膜做影像转移，之后又另镀较薄的线路铜与锡铅，再经剥膜与蚀刻后所得之画面。 3、层 间

图5.以上三图均为50X之全孔图，左八层薄板之层间对准度(Layer to Layer Registration)似乎还差强人意。中间六层板从小孔看到的层间对准度就不妙了。右六层板之大孔其层间对准度就不象样了，其中的L4几乎已经破环(Break Out)。 而且换一方位去看时说不定已经破坏，此时以水平切片最容易找到真相。 4、高 纵 横 比 镀 铜

早期插装为配合脚宽其孔径均在40mil，3/1的20mil孔竟称为小孔。如今连6/1之9.8mil者也不希奇。

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图6.上左200X为当年之深孔镀铜情形(孔径19.8mil或0.5mm，板厚1.6mm，纵横比仅3.2/1而已)，一次铜系采焦磷酸铜制程，其面铜与孔铜之厚度比(S/H)为 (1.0/0.5)；二次铜为硫酸铜制程，S/H比已改善到了1.0/0.67，但狗骨现象(Dog Boning)看起来十分严重。上右50X全孔图其孔径为13.8mil或0.35mm板厚1.6mm 纵横比4.57/1比左图已困难很多，但S/H比却已进步到1.0/0.8，十余年来硫酸铜制程的进步也相当惊人。下左50X全孔图其孔径为11.8mil或0.3mm板厚，纵横比5.3/1，不要忘记孔径会越镀愈小，孔长会越镀愈长，因而纵横比也愈来愈高，有一种人为定义的深孔困难度(Difficulty)为：D=L2/d，即孔长的平方除以孔径，故会愈镀愈困难，不过这是以水平反脉冲的特殊做法所镀，当然要比一般垂直挂镀精彩很多。下右图50X为孔径9.8mil或0.25mm之六层板，纵横比6.4/1，挂镀只可低电流慢慢来。 5、机 械 外 力 效 果

图7.上三图（上左、右、下左）均为电性测试时，发现断路(Continuity Failure 或Open)时，再去做切片发现是因镀锡铅不良而于蚀刻时被咬断的孔。这种不通的孔常会多测一两次，以致孔口出现被探针所顶挤变形的样，电测机所施加压力的影响可见一般。下右图的变形更为离谱。

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