金相切片在电子制造与材料分析中的应用

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。
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