PCB金相切片制作过程1

金相切片制作过程

金相切片的制作过程，通过采用大量图片和举例的方式，论述了金相切片技术在印制板生产中的应用，特别是在解决生产中出现质量问题方面的应用。

印制电路板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: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(如图1)，样品表面无明显划痕为止。

图1 喇叭孔示意（50×）

6）用抛光粉（粒径），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。

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。

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（如图2）。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。

图2 左图为多层板孔壁粗糙示意，右图为双面板孔壁粗糙示意。

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（如图3）。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。

图3 左图因有环氧沾污，受热冲击而出现拱形拉离，右图孔壁边缘与内层铜环处因为有环

氧沾污而连接不可靠。

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（见图4）。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。

图4 镀铜层厚度检测示意，孔铜平均厚度在25um 以上。

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（见图5）。

图5 左图为镀层有结瘤，右图局部有镀层空洞。

层间重合度检测（见图6）

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。

图6 左图10 层电路板的层间重合度比右图的好。

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：

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（见图7），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（见图8），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。

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。

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（见图10）。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。

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(图12)。

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。