微切片手册新

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著作:周成文 国家注册质量工程师 香港IPC协会会员
中国.上海
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,孔壁只由一层厚铜所构成,此乃出于黑孔后 孔壁只由一层厚铜所构成, 随即影像转移,及在孔壁与板面线路上镀满铜层, 随即影像转移,及在孔壁与板面线路上镀满铜层, 形式上虽是负片法流程, 形式上虽是负片法流程,但却只有一层孔铜而 已。 三,内层孔环与孔壁卸接处稍微出现低陷, 内层孔环与孔壁卸接处稍微出现低陷, 這是由于黑孔皮膜盖满板面与孔壁后, 這是由于黑孔皮膜盖满板面与孔壁后,又经 微蚀而将面铜及各孔环侧面的铜层又咬掉一 以便露出底铜而再做进一步的流程所致。 些,以便露出底铜而再做进一步的流程所致。
由于过度蚀铜而未将铜盐彻底去掉,以致造成化学镍层的浮离,或 由于过度蚀铜而未将铜盐彻底去掉,以致造成化学镍层的浮离, 进一步掏空现象 铜面前处理不良时, 铜面前处理不良时,化学镍 虽可镀上去, 虽可镀上去,但当镍层之内 应力太大时, 应力太大时,产生浮离现象
焊接
通孔焊锡性的好坏与孔铜品质当然有直接的关系。凡镀铜太薄(低于 0.8mil)与钻孔粗糙者,就有可能会发生"吹孔",连带使插脚焊接的填 锡不足强度有问题,故需以漂锡方式检查通孔焊性 漂锡后孔中出现空洞, 因空洞距正对面的孔 壁甚远故非吹孔
3 、层 间 对 准
層間對準不夠好
層間對準良好
4、高 纵 横 比 镀 铜
狗骨頭現象
左200X为当年之深孔镀铜情形(孔徑 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
黑孔孔壁全景(由于孔中央之黑膜太薄,致使皮膜 导电不良,造成孔中央全部镀不上电镀铜层而断孔)
孔壁粗糙
孔壁粗糙是因為钻孔而造成不良, 其中又以钻针情况不佳为主因。说的更仔 细一点,那就是针尖上两个第一面(First Facet)的切削前缘(Cutting Lips)出现崩破(Chipping),无法顺利切削玻璃束所致。或针尖外侧两刃角 (Corner)崩损磨圆,失去原来直角修整孔壁的功能,在破烂刀具的又劈又撞 情形下,经常会把迎面而来的纵向玻织束撞成破裂陷落的坑洞,不过横向撞 折断者则尚可维持平坦。下附各图中读者可清楚的看到其孔壁放大的细部情 形 纵向纱束被劈散成坑
5、机 械 外 力 效 果
上三图均为电性测试时,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
上三图均为V-Cut之圖片。左邊上下切口对齐度较好,中間稍歪,右图未對齊 且上下切口深度不同(欧洲客户尤其是德国客戶十分在意V-Cut對準度)
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,但日本客户仍坚持拒 收.
斷角 树 脂 缩 陷
压 合 空 洞(Lamination Void)
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。
吹孔
通 孔 焊 锡 好 坏
通孔焊锡性好坏与孔铜厚及Fra Baidu bibliotek壁破洞大有关系(由下圖可以看出因孔铜厚度 不足以致焊性不佳,且可看出零件脚之焊錫性也有問題)
(45° 30° 3、斜 切 片(45°,30°)
斜切片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
4、水 平 切 片
水平切片也可看 到除胶渣、孔铜厚 度、钻孔粗糙等异 常情形
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 (封膠形式有很多種,本廠是购买现成的 压克力成型模塊,将待檢切片固定在模塊槽中灌入冷凝胶封膠。)
二、分类
电路板解剖式的破坏性微切法,大体上可分为三类: 电路板解剖式的破坏性微切法,大体上可分为三类:
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。
过度钉头几乎一定会出现较大的挖破,出自钻 孔的纵向玻璃纱束之挖破,除与钻针尖部的"刃 角"损耗有密切关系外,也与钻针的偏转(Run Out)或摇摆(Wobble)有关
吹孔照片(Blow Hole是指高 温焊接中会吹气将熔锡推开 成空洞的通孔)
黑孔( 黑孔(Black Hole)
Bole槽液是一种以微小碳粉为基础的水溶性 悬浮液” 槽液是一种以微小碳粉为基础的水溶性“ Black Bole槽液是一种以微小碳粉为基础的水溶性“悬浮液” Suspension),其固态碳粉含量约为1.35% 1.45%。 其固态碳粉含量约为1.35 %。其余是水及添加劑 (Suspension),其固态碳粉含量约为1.35%-1.45%。其余是水及添加劑 黑孔法的三個特点 一,不会产生"灯芯效应"(Wicking) 不会产生"灯芯效应"
6.蚀 刻 因 子 Etching factor 6.蚀
X V 所谓蚀刻因子(F)系指向下的蚀深V,除 以侧蚀X所得商值F之谓也(F=V/X)。而X 定义是指“从阻剂边缘横量到最细铜腰 之宽距而言”
同一孔壁处被咬薄的放大特写镜头,其两端虽已塞有绿漆, 同一孔壁处被咬薄的放大特写镜头,其两端虽已塞有绿漆,但可能仍留有 细缝,造成蚀刻液的毛细渗入而局部咬薄的现象。 细缝,造成蚀刻液的毛细渗入而局部咬薄的现象。
微切片需填胶抛光与微蚀,才能看清各种真实品质.以下为制作过程 的重点:
1、 取 样(Sample 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。(本廠是採用金相切片機及沖片機取樣)
背光切片 (Back Light)
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。(此種切片作起來很困難,也不易觀察)
明视200X之斜切片
暗视200X之斜切片
三、制作技巧
若以孔与环之对准度而言,纵断面上 只能看到一点,但横断面却可看到全 貌的破环。
1、
200X之通孔直 立纵断面切片
100X通孔横断 面水平切片
微切孔的制作方法: 微切孔的制作方法:小心用钻石锯片将一排待 檢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半,置于10X的显微 镜下,在全视野下观察剩余半壁的整体情况。 (切片厚度為2毫米)
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THE Foil)。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他位置。
树 脂 缩 陷 (Rcsin Recession)
因整孔剂浮游颗粒而 发生的镀铜空心瘤
纯钯直接电镀与镀铜后 所发现的粉红圈与楔形 孔破(Wedge Void) 孔破(Wedge
热应力填锡的通孔切片: 一般均为288℃ 10秒钟之热 288℃, 2、 热应力填锡的通孔切片:(一般均为288℃,10秒钟之热 应力试验) 应力试验) 断 角(Corncr cracking)
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。拋光時加氧化铝 白色悬浮液当作抛光助剂在转盘打湿的毛毡上進行拋光.(注意切样在抛 光时要时常改变方向,使产生更均匀的效果直到砂痕完全消失切面光亮 为止)
微蚀(Microetch) 5、 微蚀(Microetch) 微蝕液的配比: ~ 微蝕液的配比: 5~10cc 氨水+45cc 纯水+2~3滴双氧水 ~ 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。用棉花棒沾着微蚀液,在切片表面轻擦约2~3 ~ 秒锺,2~3秒后立即擦干,否則銅面會變色氧化,良好的微蚀将 ~ 呈现鲜红铜色.
焊 环 浮 起(Lifted Land)
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
焊 环 浮 起
整圈性铜箔孔环受到Z 整圈性铜箔孔环受到Z方向 热胀的撕裂
吹孔
孔铜壁有破窟窿(Void) ,在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”。
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。研磨時(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。 (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。
网印负片法熔锡后的切片
由圖可以看出二铜镀得特别厚,不但超越油墨 而且还侧爬颇远 ,孔环外缘截面呈现缺口
2 、干 膜 阻 剂
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。
为微蚀过度以致铜 面出现氧化变暗 經過微蝕的切片,各銅層情 況一目了然
微蚀不足 适當微蚀
四、判 读
微切片可以檢驗到的項目有: 微切片可以檢驗到的項目有: 空板通孔切片(含喷过锡的板子)可看到各种现象有: 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,
孔环与孔壁间 不规则分布的 残余胶渣
5、切 孔
切孔切片中看到 的吹孔現象 切孔切片中看到 的铜瘤現象
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。
異常圖片講解
1、油 默 阻 剂(湿膜阻剂)
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.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 剥膜及蚀刻后尚未熔锡之画面,其二铜与锡铅之横 向扩镀
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