金相切片技术在多层印制板生产中的应用

金相切片技术在多层印制板生产中的应用杨维生1,毛晓丽2(1.信息产业部电子第十四研究所,江苏南京210013;2.南京无线电工业学校,江苏南京210013)摘要:介绍了金相切片的制作过程,对金相切片技术在多层印制板制造过程中的作用,进行了详细论述,还采用图片形式,对金相切片技术在解决生产过程中出现质量问题时所发挥的作用进行了介绍。关键词:多层印制板;金相切片;过程控制印制板的生产质量与检测技术是分不开的。没有必需的检测手段,质量就很难得到保证。特别是多层印制板,据资料介绍,其花费的全部检测费用要占制造成本的30%。印制板的检测技术,是随着印制板制造技术的不断发展而逐步提高的。在印制板的生产初期,一般检测均以目测为主,辅以必要的放大装置进行。而发展到现在,专用的印制板检测仪器和设备已多达几十种。作为检测手段之一的金相切片技术,由于其设备投资相对较小,但应用范围却越来越广泛,被越来越多印制板生产厂家所采用。由最初的单一镀层厚度测量,发展到目前的检测以下所列内容:孔壁镀层情况;孔与内层的连接情况;凹蚀与负凹蚀;孔壁粗糙度;环氧沾污;层间重合度;层间介质厚度;层间空洞;分层等。1

金相切片的制作过程金相切片的制作工艺流程如图1所示。

1.1从生产线上抽取需做金相切片的生产板。1.2将生产板放置于手扳冲床上,将冲头对准需做金相切片的区域,取样。1.3如需要可用慢速锯或手工方法对试样处理。1.4清洁并干燥试样,检查并确认待检部位无机械损伤。1.5取一金相切片专用模,将试样直立于模内(可使用固定环),注意需将待检部位朝模底。1.6取一150mL的纸杯,倒入约30mL环氧树脂胶液,然后依次加入8滴固化剂和8滴催化剂,轻巧转动纸杯,直到杯内各组份混合均匀。此过程大约需1～2min。1.7将上述新配制的胶液,慢慢倒入模内。轻敲模壁或用牙签赶走吸附于试样上的气泡。此过程结束后,试样仍需保持直立。1.8如果待检部位为通孔,可用细铅笔或鱼线穿过待检孔,再将其固定模内。每模可做多个试样。1.9待树脂在模内固化完全。此过程有热量放出。固化时间长短取决于固化剂和催化剂的加入量。1.10待冷却后,将固化好的树脂由模内取出,按金相专用砂纸目数由小到大的顺序进行粗磨和细磨,直至待检表面无明显的划痕。此操作过程须为有经验的人员进行,确保待检部位准确磨出,若检测部位为孔壁,须准确磨至孔的中央。1.11用抛光粉,对待检表面进行抛光处理。1.12用微蚀溶液(6份质量分数为25%的氨水+6份水+1份质量分数为3%的过氧化氢溶液)对待检表面进行处理,时间约为4s。然后,用清水将表面清洗干净。2

金相切片技术在多层印制板过程控制中的作用多层印制板的生产,是一个多种工序相互协作的过程。前道工序产品质量的优劣,直接影响下道工序的产品生产,甚至直接关系到最终产品的质量。因而,关键工序的质量控制,对最终产品的好坏起着至关重要的作用。作为检测手段之一的金相切片技术,在这一领域发挥着越来越大的作用。金相切片技术在多层印制板过程控制中的作用,主要有以下几个方面2.1在原材料来料检验方面的作用作为多层印制板生产所需的覆铜箔层压板,其质量的好坏将直接影响到多层印制板的生产。通过金相切片可得到以下重要信息:2.1.1铜箔厚度,如图2所示。

图2铜箔、电镀铜、铅锡厚度示意图

图3介质层厚度及排布方式示意(六层板)图检验铜箔厚度是否符合多层印制板的制作要求。2.1.2绝缘介质层厚度及半固化片的排布方式,如图3所示。2.1.3绝缘介质中,玻璃纤维的经纬向排列方式及树脂含量,如图3所示。2.1.4层压板缺陷信息层压板的缺陷主要有以下几种:(1)针孔指完全穿透一层金属的小孔。对制作较高布线密度的多层印制板,往往是不允许出现这种缺陷。(2)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。(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)皱褶皱褶是指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。(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。2.2在生产过程质量控制中的作用金相切片技术在多层印制板生产的过程中,发挥着重要的作用。在不同工序完成后,对附连板取样,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,从而对印制板的质量起着保证作用。它主要表现在以下几个方面:2.2.1钻孔工序后的孔壁粗糙度检测为保证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。可通过对附连板取样,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,可将试样进行沉铜处理后,再做金相切片。2.2.2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。但某些因素的存在,还会造成层间的偏离。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。2.2.3孔壁去钻污和凹蚀效果检测经过钻孔工序后的多层印制板,受多种因素的影响,会造成孔壁的环氧树脂粘污。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。为判明去粘污和凹蚀的效果,可通过金相切片加以检测。2.2.4孔金属化状况检测(1)将全板电镀工序后的多层板,取附连板孔位,制作金相切片,检测孔金属化情况,是否有镀层空洞、针孔等缺陷的存在如图3所示。(2)将图形电镀工序后的多层板,取附连板孔位,在288℃锡锅内,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、裂缝现象出现。2.2.5电镀能力评定多层印制板的电镀过程,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。2.2.5.1全板电镀工序电镀能力评定(1)镀层分散均匀性取一定量的试板,按编号从左到右排开,经全板电镀工序后,按图4位置取样A、C、E、G、I后,制作金相切片。按图4读取孔壁和孔口板面铜厚后,经计算可得不同位置的板面镀铜层不同位置的铜厚分布。(2)穿孔电镀能力按上法读取各点铜厚数据后,将每点的孔壁铜厚除以孔口板面铜厚值,即可得到该集团的穿孔电镀能力值。2.2.5.2图形电镀铜工序电镀能力评定(1)镀层分散均匀性按2.2.5.1中的方法,试板经全板电镀后,采用特定的试验用模板,进行图形转移,再经图形电镀工序后,按2.2.5.1中方法取样、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。(2)穿孔电镀能力将每点的孔壁铜厚度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。2.2.5.3图形电镀锡工序电镀能力评定参照2.2.5.2图形电镀铜工序电镀能力评定方法进行。2.2.6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,由于积液效应的存在,蚀刻液也会腐蚀线路两侧无保护的铜面,造成如香菇般的蚀刻缺陷,称为侧蚀,如图5所示。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。通过对附连板线条的金相切片,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。

图5侧蚀现象示意图

图6阻焊膜厚度示意图2.3在产品可靠性试验中的作用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,故往往用报废板进行。下面对金相切片技术在可靠性试验中所发挥的作用,简单介绍如下:2.3.1镀层厚度测量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,如图2所示。有时,应客户要求,还需提供阻焊膜厚度值(分为导体面和树脂面),如图6所示,绝缘介质层厚度值和孔壁钻孔粗糙度值如图3所示。这些均可通过金相切片进行测量。2.3.2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料表面,锡锅温度维护在(288±5)℃,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。2.3.3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,共进行五个循环。试验结束后,制作金相切片进行观察,需无分层、裂缝(包括拐角裂缝、镀层裂缝和介质层裂缝)等情况发生。2.3.4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。3金相切片技术在解决生产过程质量中的作用多层印制板的生产过程中,常常会发生各种各样的质量问题。若借助于金相切片技术,能较快找到产生问题的原因。及时对症下药,采取措施,避免更大浪费,且能按时交货,赢得客户的完全满意。下面将作简单介绍。3.1镀层剥离问题目前,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,不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,可以清晰准确地找出产生问题的工序。如图7、图8所示。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。

图7全板镀铜层剥离示意图

图8图形电镀铜层剥离示意图3.2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,能有针对性地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;溶液参数的调整等。全板电镀和图形电镀工序产生的镀层空洞,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。3.3多层板之内层开路和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板。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,直至磨到产生问题之内层,用金相显微镜进行观察分析。如图9、图10所示。

图9内层开路示意图

图10金属碎片造成内层短路示意图

3.4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凹蚀现象,如图11所示。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,如图12所示。

图11孔壁内层铜负凹蚀示意图

图12负凹蚀孔壁电镀示意图3.5孔口底铜空洞问题由于孔口毛刺去除不当,会造成孔口底铜空洞现象,如图11所示。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,如图13所示。正常镀层情况见图2。3.6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,如图14所示。3.7其他问题(1)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,如阻焊膜入孔、孔壁空洞等。(2)粉红圈缺陷分析,也可通过金相切片进