金相切片技術在多層印制板生產中的應用

金相切片技術在多層印制板生產中的應用楊維生1,毛曉麗2(1.信息產業(yè)部電子第十四研究所,江蘇南京210013;2.南京無線電工業(yè)學校,江蘇南京210013)摘要:介紹了金相切片的制作過程,對金相切片技術在多層印制板制造過程中的作用,進行了詳細論述,還采用圖片形式,對金相切片技術在解決生產過程中出現質量問題時所發(fā)揮的作用進行了介紹。關鍵詞:多層印制板;金相切片;過程控制印制板的生產質量與檢測技術是分不開的。沒有必需的檢測手段,質量就很難得到保證。特別是多層印制板,據資料介紹,其花費的全部檢測費用要占制造成本的30%。印制板的檢測技術,是隨著印制板制造技術的不斷發(fā)展而逐步提高的。在印制板的生產初期,一般檢測均以目測為主,輔以必要的放大裝置進行。而發(fā)展到現在,專用的印制板檢測儀器和設備已多達幾十種。作為檢測手段之一的金相切片技術,由于其設備投資相對較小,但應用范圍卻越來越廣泛,被越來越多印制板生產廠家所采用。由最初的單一鍍層厚度測量,發(fā)展到目前的檢測以下所列內容:孔壁鍍層情況;孔與內層的連接情況;凹蝕與負凹蝕;孔壁粗糙度;環(huán)氧沾污;層間重合度;層間介質厚度;層間空洞;分層等。1

金相切片的制作過程金相切片的制作工藝流程如圖1所示。

1.1從生產線上抽取需做金相切片的生產板。1.2將生產板放置于手扳沖床上,將沖頭對準需做金相切片的區(qū)域,取樣。1.3如需要可用慢速鋸或手工方法對試樣處理。1.4清潔并干燥試樣,檢查并確認待檢部位無機械損傷。1.5取一金相切片專用模,將試樣直立于模內(可使用固定環(huán)),注意需將待檢部位朝模底。1.6取一150mL的紙杯,倒入約30mL環(huán)氧樹脂膠液,然后依次加入8滴固化劑和8滴催化劑,輕巧轉動紙杯,直到杯內各組份混合均勻。此過程大約需1～2min。1.7將上述新配制的膠液,慢慢倒入模內。輕敲模壁或用牙簽趕走吸附于試樣上的氣泡。此過程結束后,試樣仍需保持直立。1.8如果待檢部位為通孔,可用細鉛筆或魚線穿過待檢孔,再將其固定模內。每模可做多個試樣。1.9待樹脂在模內固化完全。此過程有熱量放出。固化時間長短取決于固化劑和催化劑的加入量。1.10待冷卻后,將固化好的樹脂由模內取出,按金相專用砂紙目數由小到大的順序進行粗磨和細磨,直至待檢表面無明顯的劃痕。此操作過程須為有經驗的人員進行,確保待檢部位準確磨出,若檢測部位為孔壁,須準確磨至孔的中央。1.11用拋光粉,對待檢表面進行拋光處理。1.12用微蝕溶液(6份質量分數為25%的氨水+6份水+1份質量分數為3%的過氧化氫溶液)對待檢表面進行處理,時間約為4s。然后,用清水將表面清洗干凈。2

金相切片技術在多層印制板過程控制中的作用多層印制板的生產,是一個多種工序相互協(xié)作的過程。前道工序產品質量的優(yōu)劣,直接影響下道工序的產品生產,甚至直接關系到最終產品的質量。因而,關鍵工序的質量控制,對最終產品的好壞起著至關重要的作用。作為檢測手段之一的金相切片技術,在這一領域發(fā)揮著越來越大的作用。金相切片技術在多層印制板過程控制中的作用,主要有以下幾個方面2.1在原材料來料檢驗方面的作用作為多層印制板生產所需的覆銅箔層壓板,其質量的好壞將直接影響到多層印制板的生產。通過金相切片可得到以下重要信息:2.1.1銅箔厚度,如圖2所示。

圖2銅箔、電鍍銅、鉛錫厚度示意圖

圖3介質層厚度及排布方式示意(六層板)圖檢驗銅箔厚度是否符合多層印制板的制作要求。2.1.2絕緣介質層厚度及半固化片的排布方式,如圖3所示。2.1.3絕緣介質中,玻璃纖維的經緯向排列方式及樹脂含量,如圖3所示。2.1.4層壓板缺陷信息層壓板的缺陷主要有以下幾種:(1)針孔指完全穿透一層金屬的小孔。對制作較高布線密度的多層印制板,往往是不允許出現這種缺陷。(2)麻點和凹坑麻點指未完全穿透金屬箔的小孔:凹坑指在壓制過程中,可能所用壓磨鋼板局部有點狀突出物,造成壓好后的銅箔面上出現緩和的下陷現象?？赏ㄟ^金相切片對小孔大小及下陷深度的測量,決定該缺陷的存在是否允許。(3)劃痕劃痕是指由尖銳物體在銅箔表面劃出的細淺溝紋。通過金相切片對劃痕寬度和深度的測量,決定該缺陷的存在是否允許。(4)皺褶皺褶是指壓板表面銅箔的折痕或皺紋。通過金相切片可見該缺陷的存在是不允許的。(5)層壓空洞、白斑和起泡層壓空洞是指層壓板內部應當有樹脂和粘接劑,但充填不完全而有缺少的區(qū)域;白斑是發(fā)生在基材內部的,在織物交織處玻璃纖維與樹脂分離的現象,表現為在基材表面下出現分散的白色斑點或“十字紋”;起泡指基材的層間或基材與導電銅箔間,產生局部膨脹而引起局部分離的現象。該類缺陷的存在,視具體情況決定是否允許。2.2在生產過程質量控制中的作用金相切片技術在多層印制板生產的過程中,發(fā)揮著重要的作用。在不同工序完成后,對附連板取樣,進行金相切片分析,可對該工序完成后的印制板質量進行檢測;同時,對該工序是否處于正常工作狀態(tài),進行評判,從而對印制板的質量起著保證作用。它主要表現在以下幾個方面:2.2.1鉆孔工序后的孔壁粗糙度檢測為保證多層印制板的孔金屬化質量,必須對鉆孔后的孔壁粗糙度進行檢測?？赏ㄟ^對附連板取樣,制作金相切片,用讀數顯微鏡進行粗糙度的度量。為使度量清晰準確,可將試樣進行沉銅處理后,再做金相切片。2.2.2多層印制板層壓工序后的重合度檢測為保證多層印制板層與層之間的圖形、孔或其他特征位置的一致性,在進行層壓操作時,都有各自所采用的定位系統(tǒng)。但某些因素的存在,還會造成層間的偏離。為此,必須對層壓后的多層印制板進行金相切片抽檢,以保證層壓后的板符合質量要求。2.2.3孔壁去鉆污和凹蝕效果檢測經過鉆孔工序后的多層印制板,受多種因素的影響,會造成孔壁的環(huán)氧樹脂粘污。因而,在進行孔金屬化前,必須去除孔壁上的熔融樹脂和鉆屑,同時進行凹蝕處理。為判明去粘污和凹蝕的效果,可通過金相切片加以檢測。2.2.4孔金屬化狀況檢測(1)將全板電鍍工序后的多層板,取附連板孔位,制作金相切片,檢測孔金屬化情況,是否有鍍層空洞、針孔等缺陷的存在如圖3所示。(2)將圖形電鍍工序后的多層板,取附連板孔位,在288℃錫鍋內,進行三個循環(huán)的浸錫試驗。然后,制作金相切片,檢測孔金屬化情況,觀察是否有分層、裂縫現象出現。2.2.5電鍍能力評定多層印制板的電鍍過程,包括全板電鍍和圖形電鍍兩部分。電鍍能力則包括整板鍍層分散均勻性和穿孔電鍍能力兩種。2.2.5.1全板電鍍工序電鍍能力評定(1)鍍層分散均勻性取一定量的試板,按編號從左到右排開,經全板電鍍工序后,按圖4位置取樣A、C、E、G、I后,制作金相切片。按圖4讀取孔壁和孔口板面銅厚后,經計算可得不同位置的板面鍍銅層不同位置的銅厚分布。(2)穿孔電鍍能力按上法讀取各點銅厚數據后,將每點的孔壁銅厚除以孔口板面銅厚值,即可得到該集團的穿孔電鍍能力值。2.2.5.2圖形電鍍銅工序電鍍能力評定(1)鍍層分散均勻性按2.2.5.1中的方法,試板經全板電鍍后,采用特定的試驗用模板,進行圖形轉移,再經圖形電鍍工序后,按2.2.5.1中方法取樣、制作金相切片。所不同的是,每一位置分隔離孔位和圍繞孔位兩種情況。(2)穿孔電鍍能力將每點的孔壁銅厚度除以孔口板面銅厚值,即得該位置的穿孔電鍍能力值。同樣,每一位置分隔離孔位和圍繞孔位兩種情況。2.2.5.3圖形電鍍錫工序電鍍能力評定參照2.2.5.2圖形電鍍銅工序電鍍能力評定方法進行。2.2.6蝕刻因子評價多層印制板的外層圖形,是通過蝕刻工序而得到的。隨著不需要的基材銅箔的去除,由于積液效應的存在,蝕刻液也會腐蝕線路兩側無保護的銅面,造成如香菇般的蝕刻缺陷,稱為側蝕,如圖5所示。蝕刻因子即為蝕刻品質的一種指標,定義為蝕刻深度與側向蝕刻量之比。通過對附連板線條的金相切片,可用讀數顯微鏡測出蝕刻深度和側向蝕刻量,從而計算出蝕刻因子。

圖5側蝕現象示意圖

圖6阻焊膜厚度示意圖2.3在產品可靠性試驗中的作用多層印制板制造完成后,針對不同客戶的要求,需對印制板成品進行可靠性試驗。由于有些試驗是破壞性的,故往往用報廢板進行。下面對金相切片技術在可靠性試驗中所發(fā)揮的作用,簡單介紹如下:2.3.1鍍層厚度測量鍍層厚度往往是客戶對印制板的最基本要求,它包括基材銅箔厚度、鍍銅層厚度、孔壁銅層厚度、孔壁及表面鉛錫厚度,如圖2所示。有時,應客戶要求,還需提供阻焊膜厚度值(分為導體面和樹脂面),如圖6所示,絕緣介質層厚度值和孔壁鉆孔粗糙度值如圖3所示。這些均可通過金相切片進行測量。2.3.2熱應力試驗熱應力試驗,通常為模擬焊接過程,將試樣浮置于熔融焊料表面,錫鍋溫度維護在(288±5)℃,試樣經受迅速加熱而使內部結構受到應力的試驗。試驗結束后,進行金相切片觀察,須沒有分層、拐角裂縫、鍍層裂縫和介質層裂縫現象出現。2.3.3金屬化孔模擬重復焊接試驗用金屬絲進行金屬化孔反復焊接試驗,共進行五個循環(huán)。試驗結束后,制作金相切片進行觀察,需無分層、裂縫(包括拐角裂縫、鍍層裂縫和介質層裂縫)等情況發(fā)生。2.3.4熱沖擊試驗熱沖擊試驗,是使試樣經受多次高溫及低溫迅速變化循環(huán)的試驗。試驗結束后,通過金相切片觀察,須沒有分層及裂縫的情況出現。3金相切片技術在解決生產過程質量中的作用多層印制板的生產過程中,常常會發(fā)生各種各樣的質量問題。若借助于金相切片技術,能較快找到產生問題的原因。及時對癥下藥,采取措施,避免更大浪費,且能按時交貨,贏得客戶的完全滿意。下面將作簡單介紹。3.1鍍層剝離問題目前,雖然印制板生產廠家采用的藥水體系不同,但或多或少會出現鍍層剝離的問題。分析其產生原因,可能是印制板表面處理效果不理想,或藥水體系出現問題。究其產生的工序,不外乎產生于全板電鍍工序和圖形電鍍工序。為解決問題,使其不再發(fā)生,須判斷出問題產生的工序。此時,若借助于金相切片技術,可以清晰準確地找出產生問題的工序。如圖7、圖8所示。因為金相切片試樣經微蝕后,可以將底銅、全板電鍍銅和圖形電鍍銅清晰地區(qū)分開來,故根據鍍層剝離發(fā)生的位置,就可斷定出發(fā)生問題的工序。

圖7全板鍍銅層剝離示意圖

圖8圖形電鍍銅層剝離示意圖3.2金屬化孔鍍層空洞問題造成金屬化孔鍍層空洞的原因較多。由氣泡、干膜碎片、灰塵及其他雜質進入需金屬化孔的孔內,而造成金屬化鍍層空洞的情況,往往發(fā)生在全板電鍍工序或圖形電鍍工序。通過對有問題板的金相切片剖析,能有針對性地在相應工序采取對策,比如在對較小孔徑進行金屬化時,在相應槽位添加震動裝置;增加溶液過濾頻率和效果;優(yōu)化水平搖擺作用;溶液參數的調整等。全板電鍍和圖形電鍍工序產生的鍍層空洞,通過金相切片照片區(qū)別如下:(1)全板電鍍工序產生的鍍層空洞,其孔壁鍍層斷面,兩種鍍層呈包埋狀,即全板電鍍的鍍層被圖形電鍍的鍍層所包埋。(2)圖形電鍍工序產生的鍍層空洞,其空洞處的鍍層斷面,兩種鍍層呈臺階狀,類似于線路蝕刻后的側面情況。3.3多層板之內層開路和短路問題當多層板發(fā)生內層開、短路問題時,為找到產生缺陷的原因,必須對有問題板進行剖板。可以采用制作金相切片的研磨方法,去除外層銅層和樹脂層,直至磨到產生問題之內層,用金相顯微鏡進行觀察分析。如圖9、圖10所示。

圖9內層開路示意圖

圖10金屬碎片造成內層短路示意圖

3.4負凹蝕及對電鍍質量的影響負凹蝕為孔壁內層導電材料相對于周圍的基材凹縮凹蝕現象,如圖11所示。此種情況下進行電鍍,會造成孔壁鍍層內空洞。當經受熱沖擊時,會引起鍍層裂縫等缺陷,如圖12所示。

圖11孔壁內層銅負凹蝕示意圖

圖12負凹蝕孔壁電鍍示意圖3.5孔口底銅空洞問題由于孔口毛刺去除不當,會造成孔口底銅空洞現象,如圖11所示。電鍍后,由于孔口處鍍層下缺少底銅,使其結合力降低,影響產品質量,如圖13所示。正常鍍層情況見圖2。3.6鍍層針孔問題多層板生產中,有時會出現鍍層表面針孔問題,為判明缺陷嚴重程度,須制作金相切片進行剖析,可明顯觀察到針孔深度和寬度,對板子能否接受進行判定,如圖14所示。3.7其他問題(1)多層板熱風整平時,會出現有些孔吹不上錫。通過金相切片可找到原因,如阻焊膜入孔、孔壁空洞等。(2)粉紅圈缺陷分析,也可通過金相切片進