PCB制作与作用解析

PCB切片分析的作用、制作技术及相关切片解析

 印制线路板的生产质量与检测技术密不可分。没有必要的检测手段，就无法有效的评估当前的生产质量水平及深化工艺制程改善。质量就很难得到保障。印制线路板的检测技术，是随着印制板的制造技术的不断发展而不断提高的。但*普及、*经济、*准确的、*可靠的就是金相切片检测技术。 

1.在原材料来料检验方面的作用 
作为双面板或多层印制板生产所需的覆铜箔板或层压板，其质量的好坏将直接影响到印制板或多层印制板的生产。通过金相切片可得到以下重要信息： 
（1）铜箔、基板厚度。检验铜箔、基板厚度是否符合印制板的制作需要。（2）绝缘介质层厚度及半固化片的排布方式。 
（3）绝缘介质层中，玻璃纤维的经纬向排列方式及树脂含量。（4）层压板缺陷信息 

层压板的缺陷主要有以下几种：
1.皱褶 
皱褶是指层压板表面铜箔的折痕或皱纹。通过金相切片可见该缺陷的存在是不允许的。

2.针孔 
指完全穿透一层金属的小孔。对制作较高布线密度的印制板或多层印制板，往往是不允许出现的缺陷。

3.划痕 
划痕是指由尖锐物体在铜箔表面划出的细浅沟纹。通过金相切片对划痕宽度和深度的测量，决定该缺陷的存在是否允许。

4.麻点和凹坑 
麻点指未完全穿透金属箔的小孔；凹坑指在压制过程中，可能所用压磨钢板局部有点状突出物，造成压好后的铜箔面上出现缓和的下陷现象。可通过金相切片对小孔大小及下陷深度的测量，决定该缺陷的存在是否允许。

5.层压空洞、白斑和起泡 
层压空洞是指层压板内部应当有树脂和粘接剂但充填不完全而有缺少的区域；白斑是发生在基材内部的，在织物交织处玻璃纤维与树脂分离的现象，表现为在基材表面下出现分散的白色斑点或“十字纹”；起泡指基材的层间或基材与导电铜箔间，产生局部膨胀而引起局部分离的现象。该类缺陷的存在，视具体情况决定是否允许。 

2.在生产过程质量控制中的作用 
金相切片技术在印制板生产的过程控制中，发挥着重要的作用。在不同工序完成后，对制程板取样，进行金相切片分析，可对该工序完成后的印制板质量进行检测；同时，对该工序是否处于正常工作状态，进行评判，对印制板的质量起到保障的作用。它主要表现在以下方面：
（1）钻孔工序后的孔壁粗糙度检测 
为保证双面板或多层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。取样后，制作金相切片，用读数显微镜进行粗糙度的度量。为使度量清晰准确，可将试样进行沉铜、板电处理后，再做金相切片。 

（2）多层印制板层压工序后的重合度检测 
为保证多层印制板层与层之间的图形、孔或其他特征位置的一致性，在进行层压操作时，都有各自所采用的定位系统。但某些客观因素的存在，还是会造成层间的偏离。为此，必须对层压后的多层印制板进行金相切片抽检，以保证层压后的板符合质量要求。

（3）孔壁去钻污和凹蚀效果检测 
经过钻孔工序后的印制板或多层印制板，受多种因素的影响，会造成孔壁的环氧树脂沾污，如不去除将会影响如：孔壁镀层的附着力、内层连接等。因而，在进行孔金属化前，必须去除孔壁上的熔融树脂和钻屑，同时进行凹蚀处理。为判明去沾污和凹蚀的效果，就要通过金相切片加以检测。

（4）孔金属化状况检测 
1.将全板电镀工序后的双面板或多层板，取电镀试孔或钻房试孔，制作金相切片，检测孔金属化情况，是否有镀层空洞、针孔等缺陷存在。 
2.将图形电镀工序后的双面板或多层板，取样后，在锡锅内（288℃±5℃，10S），进行三个循环的浸锡试验。然后，制作金相切片，检测孔金属化情况，观察是否有分层、裂缝等现象出现。

（5）电镀能力评定 
印制板的电镀过程，包括全板电镀和图形电镀两部分。电镀能力则包括整板镀层分散均匀性和穿孔电镀能力两种。 
1.全板电镀工序电镀能力评定
镀层分散均匀性 
取一定量的试板，按编号沿飞巴从左到右排开，经全板电镀工序后，按下图（1）A、B、C、D、E、F、G、H、I 位置取样后，制作金相切片。按图（2）读取孔壁和孔口板面铜厚后，经计算可得飞巴上不同位置的板面镀铜层厚度分布和每板上不同位置的铜厚分布。

 
穿孔电镀能力 
按上法读取各点铜厚数据后，将每点的孔壁铜厚均值除以孔口板面铜厚均值，即可得到该位置的穿孔电镀能力值。（现在有部分厂使用另一种读数法即：孔内第2点和第5点的均值除以孔口板面铜厚均值的做法） 

2.图形电镀铜工序电镀能力评定 镀层分散均匀性 
按全板电镀铜的方法，试板经全板电镀后，采用特定的试验用模版，进行图形转移，再经图形电镀工序后，按1.中的方法取样、制作金相切片。所不同的是，每一位置分隔离孔位和围绕孔位两种情况。 

穿孔电镀能力
将每点的孔壁铜厚除以孔口板面铜厚值，即得该位置的穿孔电镀能力值。同样，每一位置分隔离孔位和围绕孔位两种情况。 

3.图形电镀锡工序电镀能力评定 
参照图形电镀铜工序电镀能力评定方法进行。

（6）蚀刻因子评价 
多层印制板的外层图形，是通过蚀刻工序而得到的。随着不需要的基材铜箔的去除，蚀刻液也会攻击线路两侧无保护的铜面，造成如蘑菇云般的蚀刻缺陷，称为侧蚀。蚀刻因子即为蚀刻品质的一种指标，定义为蚀刻深度与侧向蚀刻量之比。通过对板边测试线条的金相切片，可用读数显微镜测出蚀刻深度和侧向蚀刻量从而计算出蚀刻因子。

（7）SPC  统计制程管制图评价
管制图之应用有许多方式，在大多数之应用上，管制图是用來做制程之线上监视(on-line monitor)。 管制图也可用來做为估计之工具，当制程是在管制內時，則可预测一些制程参数，例如平均数、标准差、不合格率等。 管制图之用途：
1.判断制程是否稳定。2.使用制程稳定,可以预测而掌握品质成本。3.制程异常警 。4.直接由作业员绘制管制图,管制制程问题,反应迅速。5.制程检讨的语言。6.解析制程的工具。但是这些管制图的制定，需要大量的金相切片测试数据作为支持。比如：各镀层厚度的管控、层间对位管控、蚀刻因子管控等。 

3.在产品可靠性试验中的作用 
双面板或多层印制板制造完成后，针对不同客户的要求，需对印制板成品进行可靠性试验。由于有些试验是破坏性的，故经常使用 废板进行。下面对金相切片技术在可靠性试验中所发挥的作用，简要介绍如下：

（1）镀层厚度测量 
镀层厚度往往是客户对印制板的*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、纯锡厚度。有时，应客户要求，还需提供阻焊膜厚度值（分为大铜板面、线条面和树脂面）、绝缘介质层厚度值和孔壁钻孔粗糙度值。这些均可通过金相切片进行测量。

（2）热应力试验 
热应力试验，通常为模拟焊接过程，将试样浮置于熔融焊锡表面（锡锅温度维持在288℃±5℃，10S），试样经受迅速加热而使内部结构受到应力的试验。试验结束后，进行金相切片观察，须没有分层、拐角裂缝、镀层裂缝和介质层裂缝现象出现。

（3）热冲击试验 
热冲击试验，是使试样经受多次高温及低温迅速变化循环的试验。试验结束后，通过金相切片观察，须没有分层及裂缝的情况出现。

（4）金属化孔模拟重复焊接试验 
用金属丝进行金属化孔反复焊接试验，共进行三个循环。试验结束后，制作金相切片进行观察，须无分层、裂缝（包括拐角裂缝、镀层裂缝和介质层裂缝）等情况发生。

（二）金相切片技术在解决生产过程质量问题中的作用 
印制板的生产过程中，常常会发生各种各样的质量问题。用金相切片技术，能较快找到产生问题的原因。及时采取措施，避免更大浪费，且能按时交货，赢得客户的满意。下面简要介绍一下。 

1.钉头问题 
钉头的起源是钻头的过度损耗，或钻孔操作管理不良，使钻头在钻孔的过程中，未对铜箔进行正常的切削，在强行切削穿过之际，对铜箔产生推挤的动作，使孔环的侧壁在瞬间的高温和挤压下被挤扁变宽形成钉头。而且当孔环宽度很窄时，钻头的高热可能会传到环体的另一头，造成该界面的树脂凹缩，此缺陷有可能会在漂锡后加剧。所以发现钉头后对钻孔制程进行注意、改善是必要的。 

2.镀层分离问题 
目前，虽然印制板生产厂家采用的药水体系不同，但或多或少会出现镀层剥离的问题。分析其产生原因，可能是印制板表面处理效果不理想，或药水体系出现问题。究其产生的工序，外乎产生于全板电镀工序和图形电镀工序。为解决问题，使其不再发生，须判断出问题产生的工序。此时，若借助于金相切片技术，可以清晰准确的找出产生问题的工序。因为金相切片试样经微蚀后，可以将底铜、全板电镀铜和图形电镀铜清晰地区分开来，故根据镀层剥离发生的位置，就可断定出发生问题的工序。
3.金属化孔镀层空洞问题 
造成金属化孔镀层空洞的原因较多。由气泡、干膜碎片、灰尘及其他杂质进入需金属化孔的孔内，而造成金属化孔镀层空洞的情况，往往发生在全板电镀工序或图形电镀工序。通过对有问题板的金相切片剖析，能有针对性的在相应工序采取对策，比如在对较小孔径进行金属化时，在相应槽位添加震动装置；增加溶液过滤频率和效果；优化水平摇摆作用；溶液参数的调整（高酸低铜）等。全板电镀和图形电镀工序产生的镀层空洞，可通过金相切片照片区别如下： 

1.全板电镀工序产生的镀层空洞，其孔壁镀层断面，两种镀层呈包埋状，即全板电镀的镀层被图形电镀的镀层所包埋。 

2.图形电镀工序产生的镀层空洞，其空洞处的镀层断面，两种镀层呈台阶状，类似于线路蚀刻后的侧面情况。 

3.多层板之内层开、短路问题 
当多层板发生内层开、短路问题时，为找到产生缺陷的原因，必须对有问题板进行剖析。我们可以采用制作金相切片的研磨方法，去除外层铜层和树脂层，直***到产生问题之内层，然后，通过金相显微镜进行观察分析。 

4.负凹蚀及对电镀质量的影响 
负凹蚀为孔壁内层导电材料相对于周围的基材凹缩的凹蚀现象。此种情况下进行电镀，会造成孔壁镀层内空洞。当经受热冲击时，会引起镀层裂缝等缺陷。 

5.孔口底铜空洞问题 
由于孔口毛刺去除不当，磨刷压力太大。会造成孔口底铜空洞现象。电镀后，由于孔口处镀层下缺少底铜，使其结合力降低，影响产品质量和可靠性。 

6.镀层针孔问题 多层板生产中，有时会出现镀层表面针孔问题，为判明缺陷严重程度，须制作金相切片进行剖析，可明显观察到针孔深度和宽度，对板子能否接受进行判定。 

7.粉红圈缺陷分析 
由于黑化制程的本身特点：在铜表面形成氧化铜、氧化亚铜膜（俗称黑化），对提高铜与粘结片之间的粘结强度是行之有效的，因此被广泛采用。但在后续制作是容易产生粉红圈。这是由于压合后多层板在湿工序制作时，通孔孔内黑化层过厚并且遭到酸液过度攻击，产升粉红圈。可通过金相切片进行观察。（使用棕化制程代替可基本避免） 

8.上锡困难 
多层板热风整平时，会出现有些孔吹不上锡。通过金相切片可找到原因，进行改善。如阻焊膜入孔、孔壁空洞等。 

9.其它问题 
金相切片还可以观察的问题有：内层*小环宽、内层铜厚、绝缘介质厚、树脂凹陷、芯吸现象、镀层裂缝、铜层裂缝、树脂凹缩、层间对准度等

（三）金相切片的详细制作方法和切片解析 
金相切片的制作需要十分的细心和耐心，不可以操之过急。下面我就介绍一下它的种类、制作技巧、部分切片解析及问题改善。 

1.微切片种类 
PCB破坏性微切片法，大体上可分为三类：
普通微切片 ： 
指通孔区或其他板材区，经截取切样灌满，封胶后，垂直于板面方向所做的纵断面切片，或对通孔做横断面之水平切片，都是一般常见的微切片。 

剖孔微切孔 ： 
指用慢速锯片或钻石刀片，将一排待检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，置于立体显微镜下，在全视野下观察剩余半壁的整体情况。此时如果将通孔的背后板材也磨到很薄时，则其半透明底材的半孔，还可进行背光法检查其*初孔铜层的覆盖情形。
用钻石刀片将孔腔剖开后，孔的两个半壁将立即可以看见，切孔后可根据需要选用立体显微镜或SEM观察．如：孔粗情况、钻污残留情况、孔壁镀层情况等 

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情形。这样可兼顾直切与横剖的双重特性。  

2.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*及第三种都需要灌胶、抛光与微蚀，才能看清各种真实品质、问题．以下为制作过程的几个重点：  
取样  
可以用钻石锯、剪床剪掉无用板材得到切样，单头铣刀也可以。注意后二者不可太逼近孔边，以防造成通孔受到拉扯变形。此时，*好先将大样剪下来，再用钻石锯片切出或砂纸打磨出所要的样片，以减少机械应力造成的失真情况。 

封胶  
封胶的目的是为夹紧样片减少变形，采用适宜的树脂胶将通孔灌满及将板样封牢。把要观察的孔壁与板材进行夹紧固定，使其在削磨过程中其铜层不致被拖拉延伸而产生失真情况。
 
封胶一般多采用透明压克力专用封胶，也可用其他环氧树脂类胶，要求透明度良好、硬度大、气泡少。 (AB胶、各种商品树脂，甚***固型绿油等都可以)。注意以气泡少者为好，为使其硬化完全，需要烘箱催化加快反应以节省时间。  

为方便进行切样的封胶，正式做法是用金属片材卷扰式的弹性夹具或耐高温塑料片材卷扰式弹性夹具，将样片直立夹入，使样片在封胶时保持直立状态。正式标准切片的封胶体，是灌注于小杯状的橡皮模具内（有一洞和多洞之分），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。而且平坦度良好容易显微观察，并可在胶的柱面上书写文字进行记录。 
 
如果待检部位为通孔，孔径合适，则可用细铅笔芯或鱼线等穿过待检孔，再将其固定于模内。每模可做多个试样。鱼线穿孔制作效果*好，灌胶饱满，不会压迫孔壁。
 
 磨片  
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，即孔心所在平面上，以便正确观察孔壁之截面情况。 
以上所使用的砂纸与顺序如下：  
(1) 先以150号粗磨到通孔的两行平行孔壁即将出现为止，注意适量冲水以方便散热与滑润。

(2)改用600或800号再磨到“孔中间”所预设“指示线”的出现，并修平改正已磨歪磨斜的表面。如未画指示线，则可以在孔侧面观察打磨面反射的剩余半孔环是否与反射出的半孔环组成一个完整的孔环，如可以看到完整的孔环则此切片基本打磨到位。  

(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。

抛 光  
要看清切片的真相必须仔细、细致的抛光，以消除砂纸的刮痕。但一定记得不可以过度抛光。过度抛光会使部分外部铜面成圆滑状，影响镀层厚度的读数。 

切片快速抛光法：是在转盘打湿的毛毡或抛光布，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。  

一般切片的抛光不需要加氧化铝白色悬浮液，在毛毡或抛光布上以牙膏，抛光粉就可进行细腻的抛光。此方法也要时常改变抛光方向，以得到均匀的抛光效果．

微 蚀 
将抛光面洗净擦干后即可进行微蚀，分出金属之各层面与其结晶状况。要看到清楚真相很不容易，不是每次都会成功的。效果不好时只有重新抛掉不良铜面重做微蚀。一次成功*好，多次微蚀会使结果失真。 
 
微蚀液常用的分为两种：
一种是氨水加双氧水微蚀液，以氨水和双氧水混合配制。氨水加双氧水法配制的微蚀液得到的铜面结晶较为细腻，锡铅面呈现洁白。

另一种是重铬酸微蚀液，以重铬酸加入少量硫酸和氯化铵混合配制。重铬酸微蚀液铜面微蚀的效果不错，但会使铅锡层发黑，使用有局限性。 我这里只介绍氨水加双氧水法配制的微蚀液。 

微蚀液配方如下：  
5-10ml 氨水+30ml 纯水+2-3滴双氧水（浓度33%）。微蚀液配比和微蚀时间依据个人的制作经验，各有不同。 
 
混合均匀后静置1-2min用棉花棒沾着蚀液，在切片表面轻擦约2-10秒，要注意铜层表面产生的气泡现象，气泡太大和产生太快证明微蚀反应过于剧烈，不利于微蚀。2-10秒后立即用卫生纸擦干，不能使铜面继续变色氧化，否则高倍显微下会出现粗糙不堪的铜面。良好的微蚀将看到鲜红的铜色，结晶分界清楚，层次分明。然后立即拍摄保存图片，以免逐渐氧化。
 
微蚀液***只能维持一小时左右，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。

3.切片解析和改善 
切片画面所呈现的各种问题，需要详细的观察、考量，才能作出解释和分析。并做为决策和改善的依据，但是还要细心的把制程的各种情况、数据和切片的分析情况综合讨论后才可以判断、得出真实的问题所在，才可以有针对性的进行改善。这需要丰富的切片制作经验和PCB制程经验。但由于PCB切片情况复杂多样、问题品目繁多。不可能一一道来。所以我只能根据我见到的和碰到的情况和问题截取部分，简单介绍一下供大家参考、讨论： 
 

以上为两种常见板材的切片图。切片时可以根据板材特点进行区分。具体如下：