PCB切片技术
PCB切片技术
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。
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。
(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。
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”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，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。
l 树 脂 缩 陷(Rcsin Recession)
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，但日本客户仍坚持拘收。
图13.左100X漂锡后的切片可明显见到“树脂缩陷”(Resin Recession)的实像。右为200X漂锡后断角情况，此图已超过20年，仍可明显看清焦磷酸一次铜的片状组织 (LaminarStructure)。
l 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。
l 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。
l 内 环 铜 箔 微 裂
由于Z方向膨胀所引起内环铜箔的微裂，切片手艺要很好才能看得清楚。
l 通 孔 焊 锡 好 坏
图14.左图为300X垂直切片所见到内环铜箔上的微裂情形，似乎不是多了不起的毛病若另改做成500X的水平切片时，则整圈性铜箔孔环受到Z方向热胀的撕裂即赫然呈现，虽不致造成短路问题，但至少可靠度就有了瑕疵，其最简单的改善方法就是改用HTE铜箔。
图15.通孔焊锡性好坏与孔铜厚及孔壁破洞大有关系。左上图系笔者十五年前所做的八 层军用板，孔铜竟厚到2mil以上，今日看来未免觉得过分紧张。右二50X图为零件脚插焊接时，因孔铜厚度不足以致焊性不佳，且下图可看出零件脚之焊性也有问 题。
图16.左100X图为漂锡后其焊锡面(Solder Side)孔环浮离翘起的精彩写真，右为孔铜壁有破窟窿(Void)存在经漂锡时，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”。
l 吹 孔(Blow Hole)
孔壁铜层存在的破洞处，其所储藏的湿气在高温中会胀大吹出，把尚未固化的液锡赶开而形成空洞，此种品质不良的通孔特称之为吹孔。
3、斜 切 片(45°，30°)
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，可采用40X实体显微镜或高倍层显微镜去观察。然而研磨平面的手艺较难，也不易照得出精彩的像片。
图17.左为一种八层板的L2接地层(100X)与右L3讯号线层(200X)，两者系出自同一张薄基板，由于是30°斜切，故铜箔厚已夸张变厚了很多。
4、水 平 切 片
简易者先将切样平置，灌胶及硬化后再以强力瞬间胶贴上一小时直立的握点，以方便捏紧进行切磨与抛光。已完成的简易切样还
可再做水平切片，以进一步证明缺点之真相。但此手艺却较困难，要小心慢磨以防误失真相。尤其是铜箔在1/2 oz时要非常谨慎才行，稍有不平即将出错。水平切片也可看到除胶渣、孔铜厚度、钻孔粗糙等异常情形。
图18.左为200X之轻微胶渣(Smear)。右为同一样板之100X水平切片，其孔孔环与孔壁间不规则分布的残余胶渣昭然若揭。
水平切片的特殊画面可从粉红圈、孔环也孔间的对准情形、水平孔铜厚度等项目上，看得更清楚体会得更真实。
5、切 孔
需改用40X实体显微镜去观察所余半壁的全景，如此可看得更完全，更接近实情，比断层画面更具说服力，以下即为切口检验的特点：
l 吹孔的真实情况：在喷锡或熔锡的孔壁上，可极清楚看到有气体吹出的吹口,任何人一看就懂而且印象深刻，比任何文字语言的结实都更有力。
图19.左为100X之明视切孔图，系采一般截面式显微镜所摄之画面，故只有中间清楚而已。右为切孔以后50X立体摄影，其铜瘤均已实体呈现。
l 未镀前原始钻孔经除胶渣后的孔壁情形：如纵向玻璃束被挖破挖崩情形，整条犛沟出现的情形。
l 背光检查：经过化学铜后之孔壁，可将背后板材尽量磨薄，以进行背光法检查铜壁是否覆盖良好或有细碎不连的微破情形。
图20.在为切孔后再把背板板材削到很薄，而看到孔壁100X的背光情形，右为200X细部真相，其中白色部分即为无铜层透光的破壁。
在缺乏高倍显微镜时，背光检查简单的做法是：
取一500mil烧杯将侧壁及杯底外面全部贴满胶带，设法将杯子架高并使用杯底朝上，杯内放入一小手电筒的光源，并在杯底胶带上割出一条小长缝可使光线射出，再将切孔样片的孔面朝上放置在光缝处，另以20或40倍简易显微镜去观察，即可清楚看到孔壁玻纤布是否已盖满了铜层。凡有任何光点或朦胧的光线漏出者，即表铜层的覆盖力有问题。铜层本身是不透光的，必须全黑才表示铜层已完整覆盖。
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。良好的切片常有意想不到的发现，让动手的人时常获得很大的成就感。业界工程师们实应勤加练习与广泛应用才是。
但为求快速了解板面与孔内之各种故障，以争取解决问题之时效者，则微切片不但耗时，也不一定能凑巧揭露事件的真相。此时良好的“立体显微镜”将是最有力的帮手，可惜业界对比认知甚少，莫忘“实地观察”才是一切改善的开始。