微切片制作教材PPT演示课件

微切片製作,報告人：黃瑀棠2004/09/20,1,微切片製作概述,電路板品質的好壞、問題的發生與解決、制程改進的評估，在都需要微切片做爲客觀檢查、研究與判斷的根據。微切片做的好不好真不真，與研判的正確與否大有關係焉。若確想改善品質徹底找出癥結解決問題者，則必須仔細做好切取、研磨、抛光及微蝕，甚至攝影等功夫，才會有清晰可看的微切片畫面，也才不致誤導誤判。,2,微切片的分類電路板解剖式的破壞性微切法，大體上可分爲三類：,微切片：系指通孔區或其他板材區，經截取切樣灌滿封膠後，封垂直於板面方向所做的縱斷面切片(VerticalSection)，或對通孔做橫斷面之水平切片(Horizontalsection），都是一般常見的微切片。微切孔：用鑽石鋸片將一排待件通孔自正中央直立剖成兩半，或用砂紙將一排通孔垂直縱向磨去一般，將此等不封膠直接切到的半壁的通孔，還可進行背光法(BackLight)檢查其最初孔銅層的敷蓋情形。斜切片：多層板填膠通孔，對其直立方向進行45或30的斜剖斜磨，然後以實體顯微鏡或高倍斷層顯微鏡，觀察其斜切平面上各層導體線路的變異情形。如此可兼顧直切與橫剖的雙重特性。不過本發並不好做，也不易擺設成水平位置進行顯微觀察。,3,微切片：左爲200X之通孔直立縱斷面切片，右爲100X通孔橫斷面水平切片。若以孔與環之對準度而言，縱斷面上只能看到一點，但橫斷面卻只可看到全貌的破環。,4,微切孔：爲求檢驗與改善行動之效率與迅速全盤瞭解起見，最方便的方法就是強光之下以性能良好的立體顯微鏡(40X60X)直接觀察孔壁。這種“立體顯微鏡”看起來很簡單，價格卻高達3040萬台幣,5,微切孔：用鑽石刀片將孔腔剖鋸開來，兩個半壁將立即攤在陽光下，任何缺點都原貌呈現無所遁形。,6,斜切片：此明視與暗視200X之斜切片，是一片八層板中的L2/L3(即第二層訊號線與第三層接地層)，此二層導體系出自一張，0101/1的ThinCore。由於斜切的關係故GND層顯得特別厚，且左圖中的黑化層也很明顯。,7,微切片製作技巧-取樣(Samplcculling),以特殊專用的鑽石鋸自板上任何位置取樣，或用剪床剪掉無用板材而得切樣。注意後者不可太逼近孔邊，以防造成通孔受到拉扯變形。此時，最好先將大樣剪下來，再用鑽石鋸片切出所要的真樣，以減少機械應力造成失真。,8,微切片製作技巧-封膠(ResinEncapsulation),封膠之目的是爲夾緊檢體減少變形使在削磨過程中其銅層不致被拖拉延伸而失真。封膠一般多採用特殊的專密商品，以Buhler公司各系列的透明壓克力專用封膠爲宜，但價格卻很貴。也可用其他樹脂類，以透明度良好硬度大與氣泡少者爲佳。爲方便進行切樣的封膠，正式做法是用一種金屬片材卷擾式的彈性夾具，將樣片直立夾入，使在封膠時保持直立狀態。,9,微切片製作技巧-封膠(ResinEncapsulation),常見的簡易做法尚有：在鋸短的鋁管內壁塗以脫模劑，另將樣片用膠帶直立在玻璃板上，再把鋁管套在樣片周圍，務必使得下緣管口與玻璃板的表面密合，不讓膠液漏出。待所填之封膠硬化後即可將圓柱取出，或改用稍呈漏斗斜壁形的模具而更容易脫模。,10,微切片製作技巧-封膠(ResinEncapsulation),或用膠粉在熱壓模具中將切樣填滿，再以漸增之壓力擠緊膠粉並趕出空氣，使通孔能完全填實，隨後置於高溫中進行硬化而成爲透明實體。某些透明材質圖章內所封入的各種形象即采此法。在各種切片封體中，其外形與顯微畫面均以此種最爲美觀。,11,微切片製作技巧-封膠(ResinEncapsulation),將多個切樣以鋼梢串妥，在於特殊的模具中將此多片同時灌膠而成柱體，稱之Nelson-Zimmer法。可同時研磨九個柱樣，而每個柱樣中又可封入五六個切片，是一種標準切樣的大量做法。,12,微切片製作技巧-封膠(ResinEncapsulation),購買現成的壓克力方形小模具，將樣片逐一插妥再灌入封膠即可。還可將其置入真空箱內進行減少氣泡的處理。注意：切片製作時的灌膠一定要小心，不但一定要填滿而且烘烤硬化時也不可太急，以防膠內產生空洞。如此不但畫面不美且還會影響到孔銅厚度的觀察與細部真相。,13,微切片製作技巧-封膠(ResinEncapsulation),最簡單的做法，是將雙液型的AB膠按比例擠塗在PE薄模上，小心用牙籤調勻至無氣泡全透明的液態，再使切樣上的各通孔緩緩的刮過膠面，強迫液膠擠入孔內。或用牙籤將膠液小心填入通孔與板面的封包。然後倒插在有槽縫的墊板上，集中送入烤箱緩緩烤硬。,14,微切片製作技巧-封膠(ResinEncapsulation),對深孔小孔而言，填膠與研磨都不很容易，唯有勤加練習才能做好。下左圖爲孔徑9.8mil鍍銅後從縱橫比達7/1的深孔，經小心填膠研磨及抛光後所得幾近完美的切片。,15,微切片製作技巧-磨片(Crinding),在高速轉盤上利用砂紙的切削力，將切樣磨到通孔正中央的剖面，亦即圓心所座落的平面上，以便正確觀察孔壁之截面情況先以220號粗磨到通孔的兩行平行孔壁即將出現爲止，注意應適量沖水以方便減熱與滑潤。改用600號再磨到“孔中央”所預設“指示線”的出現，並伺機修平改正已磨歪磨斜的表面（如圖如示）。,16,微切片製作技巧-磨片(Crinding),改用1200號與2400號細砂紙，儘量小心消除切面上的傷痕，以減少抛光的時間與增加真平的效果。,17,微切片製作技巧-抛光(Poish),要看清切片的真相必須仔細抛光，以消除砂紙的刮痕。多量切樣之快速抛光法，是在轉盤打濕的毛氈上，另加氧化鋁白色懸浮液當作抛光助劑切樣在抛光時要時常改變方向，使産生更均勻的效果，知道砂痕完全消失切面光亮爲止。抛光時所加的壓力要輕，往復次數要多，效果才好，而且油性抛光所得的真相要比水性抛光要好。,18,微切片製作技巧-微蝕(Microetch),將抛光面洗淨擦幹後即可進行微蝕，以界分出金屬之各層面與其結晶狀況。微蝕液配方如下：“510cc氨水+45cc純水+23滴雙氧水”鉻酸加稀硫酸配方。此液所蝕之銅面刻畫較淺，只能大概界分(Define)出層次來，想要看清晶粒組織並不容易。不過此液較不易老化，比氨水配方要耐久些。,19,微切片製作技巧-微蝕(Microetch),混合均勻後即可用棉花棒沾著蝕液，在切片表面輕擦約23秒鍾，注意銅層表面發生氣泡的現象。23秒後立即用衛生紙擦幹，勿使銅面繼續變色氧化。微蝕液至多只能維持一二小時，棉花棒擦過後也要換掉，以免少量銅鹽污染微觀銅面的結晶。爲能仔細研究正確判斷起見，切片必須要認真抛光及小心微蝕，否則只有白費力氣而已。,20,微切片製作技巧-微蝕(Microetch),21,微切片製作技巧-攝影(Photography),22,微切片製作技巧-判讀,切片畫面的清晰可愛，只要火候到家時還不難臻至。但要進一步判讀畫面所呈現的各種玄機，並用以做爲決策的根據，則非豐富的電路板學養而莫辦。,23,微切片製作技巧-判讀,空板通孔切片(含噴過錫的板子)：可看到各種現象有：板材結構、孔銅厚度、孔銅品質、孔壁破洞、流錫情形、鑽孔對準、層間對準、孔環變異、蝕刻情形、膠渣情形、鑽孔情形(如挖破、釘頭)、燈芯滲銅、孔銅拉離、反蝕回、環壁互連品質(ICD)、粉紅圈、點狀孔破(WedgeVoid)等,24,微切片製作技巧-判讀,熱應力填錫的通孔切片：斷角(Corncrcracking)高溫漂錫時板子Z向會産生很大的膨脹，若鍍銅層本身的延展性不好時(銅箔之高溫延伸率至少要2%以上，62mil的板子才不會斷角，此銅箔稱爲THEFoil)。一旦孔口轉角處鍍銅層被拉斷時，其鍍銅槽液須做活性炭處理才能解決問題。孔銅斷裂也可能出現在孔壁的其他位置。,25,微切片製作技巧-判讀,熱應力填錫的通孔切片：樹脂縮陷(RcsinRecession)孔壁背後的基材在漂錫前多半完整無缺，漂錫後因樹脂局部繼續硬化聚合，或揮發份的逸走，造成局部縮陷而自孔銅背後退縮之現象即爲本詞。,26,微切片製作技巧-判讀,熱應力填錫的通孔切片：壓合空洞(LaminationVoid)多層板除了在感熱之通孔“A區”會産生樹脂縮陷外，板子的“B區”(接受強熱通孔以外的板材區)也會在高熱後出現空洞，稱之爲壓合或板材空洞。,27,微切片製作技巧-判讀,熱應力填錫的通孔切片：焊環浮起(LiftedLand)由於Z方向的劇烈脹縮，熱應力試驗後某些板面焊環的外緣，常會發生浮離,28,微切片製作技巧-判讀,熱應力填錫的通孔切片：內環銅箔微裂由於Z方向膨脹所引起內環銅箔的微裂，切片手藝要很好才能看得清楚。,29,微切片製作技巧-判讀,熱應力填錫的通孔切片：吹孔(BlowHole)孔壁銅層存在的破洞處，其所儲藏的濕氣在高溫中會脹大吹出，把尚未固化的液錫趕開而形成空洞，此種品質不良的通孔特稱之爲吹孔。,30,微切片製作技巧-判讀,斜切片(45，30)可看出各層導體間的互動關係。各層導體黑氧化之粉塵會隨流膠而移動，可採用40X實體顯微鏡或高倍層顯微鏡去觀察。然而研磨平面的手藝較難，也不易照得出精彩的像片。,31,微切片製作技巧-判讀,水平切片水平切片也可看到除膠渣、孔銅厚度、鑽孔粗糙等異常情形。水平切片的特殊畫面可從粉紅圈、孔環也孔間的對準情形、水平孔銅厚度等專案上，看得更清楚體會得更真實。,32,微切片製作技巧-判讀,切孔：用40X實體顯微鏡去觀察所余半壁的全景，如此可看得更完全，更接近實情，比斷層畫面更具說服力,33,微切片製作技巧-判讀,切孔：背光檢查：經過化學銅後之孔壁，可將背後板材儘量磨薄，以進行背光法檢查銅壁是否覆蓋良好或有細碎不連的微破情形。,34,微切片製作技巧-判讀,PTH製程之重要管制項目：PTH披覆不良，是造成孔破的一大主因，早期發現，提早治療是不變的道理，如等到鍍銅後可就回天疺術了。,35,切片實例-鉆孔粗糙,過度釘頭幾乎一定會出現較大的挖破，出自鑽孔的縱向玻璃紗束之挖破，除與鑽針尖部的刃角損耗有密切關係外，也與鑽針的偏轉（RunOut)或搖擺（Wobble)有關。,36,切片實例-鉆孔粗糙,有時鑽孔的機械挖破（Gouging)與過度除膠渣（De-smear)的化學蝕溶之間，雖很不容易分辨，其二者從不清楚的切片上確是很難厘清的，此處上圖500X看見的粗糙很顯然是出自過度除膠。下圖則是輕微的撞破。,37,切片實例-Desmear,通孔垂直切片，一看就知道是膠渣未除所帶來的ICD(InterconnectionDefect),38,切片實例-Desmear,畫面為未做除膠渣的雙面板(板材由八張7628的膠片所組成)，其孔銅壁經噴錫後退即出現了罕見的嚴重拉離(PullAway)。,39,切片實例-Desmear,重鉻酸過鍍除膠渣造成孔壁表面的樹脂全部溶出，其縮陷造成中斷點整齊的玻纖束競相突出的奇景。,40,切片實例-Desmear,孔銅與內環的拉裂，當然是出自兩銅之間附著力不足所致。而此故障的原因又可能是：為殘餘微量膠渣薄膜造成。為在進行孔壁電鍍銅之前，其銅環側面出現氧化薄膜以致附著力不強，經常被拉開。,41,切片實例-回蝕、反回蝕,可清楚看到標準的正回蝕（EtchBack），即將玻織與樹脂蝕退少許，鍍銅孔壁對突出的孔環進行三麵包夾式的結合。,42,切片實例-回蝕、反回蝕,環面退縮已達1mil，且上下兩側縮退頗深，其中下側之光面黑化層處更為深入，此等斜角在MIL-P-55001E中稱為Shadow,43,切片實例-回蝕、反回蝕,鏡頭中見到嚴重反回蝕，但已被化學銅與電鍍鍍所填平。該鍍銅層從兩端向斜口處聯合進軍，二者最後合流（界分線很清楚）並整平該處之凹陷。但左側空心缺口卻未填平。,44,切片實例-黑孔導電不良,黑孔孔壁全景，可清楚看到由於孔中央之黑膜太薄，致使皮膜之導電不良，造成孔中央全部鍍不上電鍍銅層而斷孔的事實。下圖為孔壁導電不良，再加上掛架導電不佳，使電流偏單面。,45,切片實例-黑孔導電不良,先天導電不良的孔銅壁，只出現局部上不去的孔破，與上述趨勢性愈走愈薄的災情並不相同。,46,切片實例-黑孔微蝕不足,黑孔水平切片，可清楚看到內層銅和孔壁銜接處殘留碳粉，雖然導通不成問題，但孔壁結合力己有信賴度的問題。黑孔微蝕不足造成碳黑堆積，或除膠渣不全造成膠渣殘留之ICD,47,切片實例-黑孔ICD,黑孔後之切孔，直接觀察孔壁內層銅處，己發現未完全清除之碳粒，電鍍後將產生類似ICD的現象。,48,切片實例-黑孔之微蝕過度,前者為微蝕不足，此則為微蝕過度，造成孔壁導電層不完整，鍍銅後明顯之微孔破(WedgeVoid)。直接電鍍微蝕過量，造成孔破或孔銅不足,49,切片實例-黑孔之微蝕過度,DP後電鍍五分鐘薄銅在無反回蝕下所見到的WedgeVoid。噴錫前的楔形缺口雖已被鍍銅所勉強接合，但很難保證噴錫後就不會再斷。,50,切片實例-黑孔製做多層板的風險,黑孔後須經微蝕去除銅面上的碳黑，同時也會咬蝕內層銅，多層板孔深較深，通常以拉長時間來降低孔壁電阻值，如以正常的微蝕因應將會產生ICD的現象，加強微蝕則於各內層銅處型成gap，鍍銅將產生階梯狀孔銅不足或孔破。,51,黑孔製程常見問題,黑孔為固形物的混合體，孔內物質傳輸困難，故對小孔製程有致命的困難。黑孔為非金屬導體，故孔壁導電的品質直接影響到孔銅不足及孔破的問題。尤其是板厚較厚者，電阻值自然提高，故良率更差。黑孔靠碳層厚度來提高導電能力，但對內層銅孔壁殘留碳黑則是造成ICD的一大病因。黑孔後須經微蝕，是造成多層板階梯狀孔銅漸薄的元兇。黑孔的微蝕槽控制是黑孔品質好壞的重要關鍵。採用無微蝕製程之直接電鍍是較為可行的做法。,52,切片實例-化學銅孔破,鍍完一次銅後切片所發現的破洞。很明顯是由於PTH或化學銅不良所造成。與上述“趨勢性”愈走愈薄的災情並不相同。前者為導電不良，此則為局部不導電。,53,切片實例-化學銅燈芯（Wicking),Wicking)是指通孔切片之孔壁上，其玻璃束斷面之單絲間有化學銅層滲鍍其中Wicking多半是出自鑽孔動作的粗魯，IPC-6012對Class2的板類規定Wicking不可超過4mil。,54,切片實例-鍍銅孔破,對於高孔深的產品，孔內氣泡是鍍銅的一大殺手，右圖即為孔內氣泡未排出所造成，主要特徵為兩側對襯，孔壁漸薄的區段較短，不似導電不良者，由孔口向孔內漸薄。,55,切片實例-鍍銅後孔破,鍍的好好的孔銅由於阻劑不良（如太薄、覆蓋不良或支離破碎），罩不住蝕刻液之下又被冤枉的咬斷。此等斷口會呈現下陷縮回式的內弧或凹弧，或平直與稍斜的截面，這也是證據藶藶根本不需廢話。,56,孔破常見問題,孔壁銅層發生見底之“破口”原因很多，如：鑽孔粗糙挖破玻織布，以致深陷處不易完成金屬化及電鍍銅層。PTH前處理不良，以致局部化學銅層或直接電鍍層等，無法有效建立導電的基地，電鍍銅自然也不易進入。直接電鍍處理不良，或事後又出現脫落，此時通孔中間常出現環狀孔破。楔形孔破（WedgeVoid)或稱“連續點狀孔破”。鍍銅孔壁原本良好，但事後又被其他制程（如錫鉛層不良，乾膜覆蓋不良）所弄破甚至咬斷者。,57,切片實例-鍍銅孔銅不足,添加劑控制不佳、縱深比過大、孔內藥液置換量不足，造成貫孔能力不足。電鍍效率不佳，或設備導電不良，電流未正常分佈，孔銅和面銅同時不足。,58,切片實例-鍍銅孔銅,右圖為HLC之鍍孔銅，欲達到如此高縱深比之鍍銅且T/P表現又佳，除藥水的選擇、設備特殊設計的搭配外，管制的嚴僅更是重要。,59,切片實例-鍍銅物性測試,完工的電路板須做熱應力漂錫試驗（288，十秒鐘），經歷此種高溫大熱量的衝擊下，勢必出現X、Y與Z等三方向的劇烈膨脹，其中Z膨脹對通孔鍍銅孔壁影響最大，對高縱橫比（AspectRatio）的深孔尤其容易發生斷角（CornerCrack)的故障。,60,切片實例-鍍銅物性測試,避免斷角途徑有二：增加板材樹脂的Tg，減少板厚方向Z膨脹的程度，但此點並不容易做到。增強鍍銅層的高溫（188）延伸率至少保持在2以上，可對鍍銅槽液進行活性碳處理，減少鍍銅層的有機污染，或更換品牌更好的光澤劑。,61,切片實例-鍍銅銅瘤,常見的銅瘤約可分兩大類，其一是來自電鍍銅制程，其二是來自PTH流程。前者多為實心瘤且板面與孔壁都會出現；後者每呈空心或內藏有機物之瘤，一般常出現在孔壁上，至於板面上幾乎不會發生。,62,切片實例-鍍銅銅瘤,固體粒子的浮游，並在帶有微正電荷被陰極所吸附：多肇因於外來的沙粒或固體粒子，或因陽極袋破損而有陽極黑膜（一價銅粒子）脫落遊出，甚至還會呈現疊羅漢的現象堆積在孔口，不過瘤體卻很小。,63,切片實例-鍍銅銅瘤,因局部電流密度太大超過“極限電流密度”LinitedCurrentDensity)而結瘤：可能是整流器異常電流過大，或未挂板子只鍍挂架的夾點，致使電流太大而在陰極板上形成瘤狀組織，此種瘤體非常大並呈膨脹狀的層次。應該是出自電流密度太大與夾雜物所共同造成的銅瘤。,64,切片實例-鍍銅銅瘤,鑽孔後之銅層毛頭：此種位於高電流區的毛頭，當然會經電鍍銅的額外增厚，終至形成孔口的塞孔銅瘤。,65,切片實例-PTH銅瘤,源自於PTH的銅瘤：PTH整孔劑（Conditione)之槽液出了問題，產生了如同果凍般的浮游粒子，並以靜電吸附的方式著落在孔壁上（尤其在玻璃束處的滲入而抓得更緊）。,66,切片實例-PTH銅瘤,經過鈀活化與化學銅的沈積，在孔壁形成結實累累的導電表面，又經電鍍銅後即成為不規則的銅膜空心腫囊。當其中之有機物乾燥後即呈內部萎縮而只有表層的空心銅胞。,67,切片實例-PTH銅瘤,一律為空心銅胞：因胞內只有果凍狀之有機物，故此等幹固後的銅瘤都是空心胞，並非實體的銅渣，與前述源自鍍銅槽液的粒子並不相同。,68,切片實例-PTH銅瘤,當然PTH銅瘤也有例外，當板面出現不規則樹枝狀或菌絲狀，則可能是水洗槽(整孔後至活化前)長菌，所以PTH水質管控，是維持品質的一大課題。適時降低水溫對此問題也有明顯改善。,69,切片實例-互連後分離,通常類比方法即“288十秒鐘之漂錫”，特稱為熱應力試驗或漂錫試驗（Thermo-StressTestorSolder