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金相切片在电子制造与材料分析中的应用

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金相切片在电子制造与材料分析中的应用
一、引言
一块 PCBA 在客户端使用不到一年就出现开路。X-Ray透查看不出异常,电性能测试全部合格,AOI也一轮过完——所有能在不拆样品的前提下做的检查,都给出了“正常”的结论。直到把它切开、磨到镜面、放到显微镜下,问题才现形:PTH孔壁转角位置的孔铜,已经沿玻纤方向裂开了一整圈。
把这类问题从“看不见”变成“看得见”,正是金相切片存在的理由。
二、什么是金相切片
金相切片(Cross-section,也写作x-section)在行业内更常被称为微切片或截面切片:把样品用树脂固封后研磨、抛光,得到一个可供显微观察的截面。它本身不是一种成像技术,而是一种制样方法,制样后再借助体视显微镜、金相显微镜或扫描电镜(SEM)读取截面上的组织信息。



图:机械研磨仪设备图



图:金相切片流程示意图
常见的切片方式有:
垂直切片(Vertical Section)/ 纵切片(LongitudinalSection):沿垂直于板面(或样品主表面)的方向切开,观察其剖面状况。这是常用的切片方式,适用于观察通孔镀铜质量、镀层厚度、焊点内部结构等。
水平切片(Horizontal Section)/ 横切片(TransverseSection):沿平行于板面的方向逐层向下研磨,观察每一层面的状况。通常用于辅助垂直切片,进行品质异常的分析判定,例如观察某一特定层内的线路或缺陷分布。
斜切片(ObliqueSection):以倾斜角度切割样品,常用于观察特定角度的界面或缺陷,是垂直和水平切片之外的一种补充方法。
切孔(Cross-sectioning of aHole):这是一种针对通孔的切片方法,通过对孔进行灌胶固化后研磨,专门观察孔壁的镀层质量。
三、应用范围
金相切片的应用范围非常广,一般情况下关注内部结构的都适用。其价值在于:把样品内部看不见的结构、界面和缺陷“切开来看”,从而进行尺寸测量、组织观察和失效判定。在电子制造中,以导线与端子的压接连接为例,这个在元器件级才出现的部位,截面上可以直接读出压接刀片的几何外形、镀层质量、芯线分布是否均匀、有没有断芯——这些信息在电性能测试里拿不到。
表:金相切片的应用范围(电子制造&材料分析)

应用层级

典型对象

该层级特有的判读项

板级与组装级

PCB 、 PCBA 、集成电路封装

层间厚度、孔铜厚度与连续性、内层环宽、焊点形貌与空洞

元器件级

MLCC 、 BGA 、 LED 、传感器、连接器端子

内电极与端电极界面、焊球空洞与裂纹、引线键合、压接区芯线分布

材料与零部件级

陶瓷、塑料、电镀件、复合材料、焊接件、金属零部件

内部组织与缺陷、镀层结合与厚度、工艺一致性

四、能力范围
从金相切片的截面能得到什么信息,取决于关注点与判定标准。举例在PCB样品切片中,我们可以得到如下表所示的判读项信息:

判读项

关注点

常见判定标准

界面结合状态

镀层与基体、焊料与焊盘、孔铜与孔壁是否连续

不允许存在影响功能的分层或开裂

IMC 层

金属间化合物的厚度与连续性

无铅焊料常见 1 ~ 5 μm ;低于 0.5 μm提示润湿不良,过厚则界面脆化

焊点空洞

空洞率、大小与所处位置

BGA 焊球通常 ≤25% ,高可靠应用收紧至 ≤15% ; QFN 与 LGA 接地焊盘常见≤30%

润湿角

焊锡与焊盘之间的夹角

3 级产品 ≤30° , 2 级产品 ≤60° ;大于 90° 判为不润湿

孔铜厚度

平均厚度与薄处

按 IPC-6012 分级: Class 2 平均 20 μm /薄 18 μm ; Class 3 平均 25μm /薄 20 μm

镀层空洞

孔壁镀层是否连续

Class 2 允许每孔 1 个、且不超过 5% 的孔; Class 3 不允许

上表判断在确认一个问题:这个连接是可靠的,还是只是看起来连上了。
IMC 层尤其能说明这一点 一一 它是焊料与焊盘之间的金属互化物,低于 0.5μm往往意味着润湿不充分,过厚则意味着界面脆化,在机械冲击或温度循环下容易沿IMC断裂。金相切片提供的信息,是焊点能不能长期可靠,而不只是当下有没有焊上。



图:焊接层IMC测量
除以上判读项之外,截面还能给出几何尺寸与结构剖析:如气孔大小、上锡高度、铜箔厚度、元器件尺寸、镀层厚度等等,并能从同一切片取得多组数据;而层数解析、器件结构剖析、盲埋孔填孔、内部缺陷是否连续等等,也是金相切片在结构剖析上的擅长之处。



图:金相切片后SEM观察器件内部开裂
这些信息的读取程度还取决于观察手段的配合:体视显微镜适合整体形貌概览,金相显微镜常用于50~1000倍的层厚测量与组织判别,而搭配扫描电镜SEM则可推进到上万倍并配合能谱(EDS)做微区成分分析。





图:截面观察PCB板内部CAF迁移
五、优点与边界
要理解切片的价值,得先看清无损检测停在了哪里。
X-Ray 对裂纹的检出取决于裂纹两侧的密度差,C-SAM对分层的判定依赖于声阻抗差 一一 两者都很难回答“这个界面上到底有没有低于1μm 的裂缝”。这时候就需要将样品切开进行确认,这也造成了它与X-Ray、C-SAM这类无损手段的根本差异:后者可以全检、可以复测,而切片必须把样品剖开,一旦固封、切割、磨抛就无法恢复原貌。破坏性是它的代价,也是它的能力来源——正因为必须破开,它才能看到那些被遮挡的层次。也正因能力互补,两者通常配合使用:无损检测负责发现疑点并圈定范围,切片负责确认疑点并给出可判读的证据。





图:截面观察微裂纹
另外一点值得提出的是,是切片质量对制样水平的高度依赖。研磨过度会错过观察面、机械研磨可能会带来的金属延展和表面划痕问题。针对这种情况,对微小区域与软材料,博仕检测工程师会改用聚焦离子束(FIB)或者氩离子束(CP)去除材料的方式,用更合适的方法换取更真实的组织形貌。
六、结语
回头看开头那块 PCBA:X-Ray看不出异常,电测全部合格,问题却真实存在。金相切片处理的正是这一类“外部完好、内部已坏”的问题——它不增加新的检测项目,只是把已有样品剖开,让被遮挡的层次显形。
也正因如此,它不会只停留在某一类产品上。从印制板与组装件,到元器件内部的电极、焊球与压接区,再到陶瓷、塑料、电镀件与金属零部件,判断需不需要它,本质上只取决于一个问题,那就是否已经超出“看表面”所能回答的范围。
博仕检测配备专业金相切片设备与技术人员,为您精细剖析样品内部结构,守护品质与可靠性。
从切割、镶嵌、研磨、抛光到显微观察与数据分析,一站式微切片服务。如有需要,请访问官网。

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