銅箔缺陷分析技術(shù)探索與應(yīng)用

彭永忠

(江銅－耶茲銅箔有限公司，江西南昌 330096)

銅箔缺陷分析技術(shù)探索與應(yīng)用

彭永忠

(江銅－耶茲銅箔有限公司，江西南昌 330096)

印制線路板其質(zhì)量可靠與否必須通過(guò)一定的檢測(cè)技術(shù)來(lái)判定，印制線路板制造工藝復(fù)雜，若其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將導(dǎo)致印制線路板報(bào)廢。切片分析技術(shù)是最直觀、低成本、高效率的分析技術(shù)。

切片;銅箔;覆銅板;印制線路板;檢測(cè)技術(shù);顯微技術(shù)

1 引言

印制線路板其質(zhì)量可靠與否必須通過(guò)一定的檢測(cè)技術(shù)來(lái)判定，印制線路板制造工藝復(fù)雜，若其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將導(dǎo)致印制線路板報(bào)廢。那么檢驗(yàn)印制線路板可分過(guò)程檢驗(yàn)和成品檢驗(yàn)。

2 常用的檢驗(yàn)印制線路板手段

目檢、放大鏡檢驗(yàn)、顯微鏡檢驗(yàn)、背光檢驗(yàn)、AOI (掃描圖像，參數(shù)對(duì)比)檢驗(yàn)等。

作為檢驗(yàn)手段之一的金相切片技術(shù)，因其投資小，應(yīng)用范圍廣，而被印制線路板生產(chǎn)廠家廣泛采用。銅箔供應(yīng)商要分析客戶的投訴樣品，也必須具備相應(yīng)的技術(shù)手段分析是否為銅箔問(wèn)題造成板材缺陷。

銅箔缺陷分析技術(shù)除目前的光學(xué)顯微技術(shù)、電子顯微技術(shù)、能譜分析外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)印刷線路板行業(yè)常規(guī)的分析方法:切片分析技術(shù)。

通過(guò)銅箔公司客服團(tuán)隊(duì)不斷探索、試驗(yàn)，我們已經(jīng)完整掌握了此項(xiàng)技術(shù)，已在銅箔公司分析銅箔缺陷過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用，同時(shí)也為銅箔公司減少了因線路板缺陷責(zé)任歸屬問(wèn)題可能引起的巨額賠償責(zé)任。

3 典型例子

例1，2010年3月公司發(fā)往昆山某線路板廠的銅箔因SEM無(wú)法觀測(cè)到溝壑缺陷現(xiàn)象而導(dǎo)致銅箔退貨。

圖1 銅箔毛面溝壑缺陷－切片圖

例2，2010年4月深圳某線路板廠投訴公司銅箔厚度偏薄，雙方現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):由于切片研磨時(shí)，因出現(xiàn)多個(gè)研磨面而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

圖2 樣品多個(gè)研磨面示意圖

例3，2009年5月銅陵某覆銅板廠投訴我司銅箔壓板、蝕刻后出現(xiàn)殘銅，雙方現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):

蝕刻殘銅是由附著在銅箔毛面的銅箔切屑在壓板時(shí)游離到PP內(nèi)造成;不是由銅粉脫落或銅芽過(guò)長(zhǎng)造成。而雙方均對(duì)銅箔進(jìn)行過(guò)載切，均有可能產(chǎn)生銅切屑，公司沒(méi)有因此而承擔(dān)全部品質(zhì)責(zé)任，減少了賠償損失。

4 光顯、電顯的特點(diǎn)

光學(xué)顯微鏡成像特點(diǎn):只能觀測(cè)平面像、透明的物體內(nèi)部像、有顏色的影像等;

電子顯微鏡成像特點(diǎn):只能觀測(cè)物體立

體的、表面的、黑白的微觀輪廓影像，無(wú)法觀測(cè)色差、氧化等銅箔缺陷;因電子的穿透力不如光子，故不能觀測(cè)透明的物體內(nèi)部雜質(zhì)影像，無(wú)法觀測(cè)蝕刻殘銅，且制樣時(shí)，要保證樣品表面導(dǎo)電。非金屬樣品必須對(duì)樣品表面進(jìn)行噴金處理［1］。

而切片只需通過(guò)與光顯組合分析，可達(dá)到簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確觀測(cè)銅箔影像的目的。

5 金相切片技術(shù)的探索

金相切片技術(shù)在銅箔公司是一項(xiàng)空白，銅箔公司只擁有必要的設(shè)備、耗材，缺乏相應(yīng)的技術(shù)資料;網(wǎng)上有通用的理論資料，但缺乏具體的工藝參數(shù)和制作經(jīng)驗(yàn)，如:膠水的配比、凝固時(shí)間、透明度、硬度、研磨技術(shù)、拋光技術(shù)等都要經(jīng)過(guò)我們不斷試驗(yàn)、摸索才能制作出清晰且無(wú)變形的切片樣品。真實(shí)再現(xiàn)缺陷的微觀原貌。

金相切片是一種破壞性測(cè)試，可測(cè)試印制板的多項(xiàng)性能參數(shù)。例如:銅芽分布、銅芽長(zhǎng)度、銅箔厚度、蝕刻殘銅、樹(shù)脂沾污，鍍層裂縫，孔壁分層，焊料涂層情況，層間厚度，鍍層厚度，孔內(nèi)鍍層厚度，側(cè)蝕，內(nèi)層環(huán)寬，層間重合度，鍍層質(zhì)量，孔壁粗糙度等［2］。

總之，如同醫(yī)生用x光給病人看病一樣，它可以觀察印制板表層和斷面微細(xì)結(jié)構(gòu)的缺陷和狀況。

6 金相切片技術(shù)的應(yīng)用

6.1 取樣

樣品應(yīng)有代表性且平整。切下的樣品表面平整有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)成型后樣品的變形最小;

(2)花在后續(xù)的研磨和拋光的時(shí)間最短;

(3)制作過(guò)程中使用之耗材最少。

6.2 鑲埋/鑲嵌

將樣品埋在樹(shù)脂中(冷埋樹(shù)脂或水晶樹(shù)脂膠)，從而保證后續(xù)研磨拋光制作的方便，并提高樣品標(biāo)本的最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

鑲埋分為冷埋、熱埋及真空鑲埋三種方式。

我們目前選用冷埋方式:將樣品放入模具中，然后再把攪拌好的樹(shù)脂和硬化劑的混合物倒入模具中，然后在常溫、常壓之下硬化成透明固體狀物體，這種鑲埋的方式比較經(jīng)濟(jì)使用。

如下圖所示:

圖7 鑲埋——冷埋方式示意圖

(1)保持切割面與待觀測(cè)面平行或垂直。

(2)將樣品直立于模內(nèi)，并用夾具使樣品穩(wěn)定其位置，讓待檢部位朝下。

(3)取一小紙杯將冷埋樹(shù)脂(固態(tài)粉末)與固化劑(液態(tài))按2∶1體積比混合，同時(shí)沿同一方向緩慢攪拌至均勻。

沿同一方向緩慢攪拌的目的:

盡量不能讓混合物產(chǎn)生氣泡，從而影響觀測(cè)效果。

(4)用引流棒把勻質(zhì)的混合物沿同一位置緩慢倒入樣品杯內(nèi)，直到樣品完全浸沒(méi)。

沿同一位置緩慢倒入模具的目的:

盡量不能讓混合物從多個(gè)位置注入樣品杯內(nèi)，減少流膠封住氣體，使氣體無(wú)法完全排出，凝膠后產(chǎn)生氣腔、氣室，從而影響研磨和觀測(cè)效果。

(5)將模具靜置10～20 min，待樹(shù)脂完全固化［3］。

6.3 粗磨

樣品研磨分為:粗磨、細(xì)磨。

切片樣品的前期處理過(guò)程基本相同，即用180#砂紙磨到接近理想的觀察位后，在依次用600#、1000#砂紙對(duì)先前的粗糙形變予以基本的消除處理，然后用2000#或3000#砂紙做最后細(xì)磨處理。在整個(gè)的研磨過(guò)程中，先前的形變將隨著砂紙的不斷更換而逐漸消除。但是一味的依靠提高砂紙的型號(hào)，并不能將樣品樣品的形變?nèi)肯?］。

下面以銅箔樣品－35μm為例加以闡述其過(guò)程:

圖8 研磨——粗磨、細(xì)磨示意圖

用固定在研磨盤上的砂紙(600#～1200#)，從樣品表面切削掉多余的微小碎片，從而使樣品表面達(dá)到需要的較理想的界面。研磨粒子越大，研磨率也就越高，表面也越粗糙。

粗磨是最初步驟，其主要目的是確保樣品表面的平整性，如果樣品表面一開(kāi)始就已經(jīng)很平，那么粗磨步驟就可以節(jié)省一些時(shí)間。

注意:研磨也可能會(huì)同時(shí)造成樣品變形。

研磨所使用的砂紙型號(hào):600#。

樣品標(biāo)本的厚度為52.30μm，比實(shí)際樣品厚度的35μm超出17.30μm，誤差率為49.43%。

圖9 使用600#砂紙研磨效果圖

研磨所使用的砂紙型號(hào):1000#。

樣品標(biāo)本的厚度為51.16μm，比實(shí)際樣品厚度的35μm超出16.16μm，誤差率為46.17%。形變已經(jīng)有進(jìn)一步的減少和消除。

圖10 使用1000#砂紙研磨效果圖

6.4 細(xì)磨

細(xì)磨是定型步驟(砂紙型號(hào):2000#～3000#)，細(xì)磨的最主要目的是將切割或粗磨時(shí)對(duì)樣品所造成的變形降到最小，以便于拋光過(guò)程中能將所有的變形都清除。

研磨所使用的砂紙型號(hào):2000#。

樣品標(biāo)本的厚度為43.60μm，比實(shí)際樣品厚度的35μm超出8.60μm，誤差率為24.57%。形變已經(jīng)有更進(jìn)一步的減少和消除。基本接近實(shí)際的理論值。

圖11 使用2000#砂紙研磨效果圖

研磨所使用的砂紙型號(hào):3000#。

樣品標(biāo)本的厚度為42.46μm，比實(shí)際樣品厚度的35μm超出7.46μm，誤差率為21.31%。形變已經(jīng)有更進(jìn)一步的減少和消除。基本接近實(shí)際的理論值。但仍不能作為最后的理論值加以評(píng)估，否則將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的嚴(yán)重失真。

圖12 使用3000#砂紙研磨效果圖

研磨技術(shù)要點(diǎn):

(1)保持待觀測(cè)面與研磨面平行。

(2)粗磨樣品時(shí)要來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)樣品90°，使研磨面平整。

(3)若切片樣是用于觀測(cè)銅芽，細(xì)磨樣品時(shí)，研磨面的運(yùn)動(dòng)方向要與銅芽生長(zhǎng)方向垂直。

(4)若切片樣是用于觀測(cè)內(nèi)層爆板、空洞等缺陷，細(xì)磨樣品時(shí)，研磨面的運(yùn)動(dòng)方向要與銅箔亮面平行。

(5)觀測(cè)雙面板銅箔的某一面時(shí)，研磨面的圓周運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)背離待觀測(cè)面銅箔。

樣品用砂紙研磨的結(jié)果:

通過(guò)以上砂紙的研磨過(guò)程我們可以看出:

隨著砂紙型號(hào)的不斷提升，樣品標(biāo)本的實(shí)際值也將越接近理論值。但是光靠砂紙型號(hào)的提升，根本無(wú)法使實(shí)際值達(dá)到理論值，而且其誤差也根本非實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所能接受。由此切片的后期處理也就顯得非常重要。

切片的后期處理過(guò)程:

金相切片的后期處理乃為最終形變消除的過(guò)程。常規(guī)處理的方法有兩種:金相液微蝕法和拋光法。兩種方法都能將標(biāo)本的形變基本完全消除，從而是標(biāo)本的實(shí)際值達(dá)到理論值的效果［5］。仍以上述樣品為例加以闡述說(shuō)明:(我們目前使用較多的方法:拋光法)

6.5 拋光

將少量拋光粉、研磨膏或拋光液放置于拋光布上，然后將樣品放在旋轉(zhuǎn)的拋光布上進(jìn)行鏡面拋光。

拋光目的在于去除研磨過(guò)程中的變形及刮痕，從而得到無(wú)刮痕的反射鏡面，同時(shí)便于在顯微鏡下進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

拋光處理:

樣品標(biāo)本的厚度為38.27μm，已經(jīng)基本達(dá)成樣品標(biāo)本的理論值。考慮樣品標(biāo)本本身所固有的系統(tǒng)誤差，我們可以認(rèn)為該實(shí)際值即為標(biāo)本樣品厚度的理論值。

圖15 拋光處理后切片圖

微蝕處理:

樣品標(biāo)本的厚度為37.14μm，已經(jīng)基本達(dá)成樣品標(biāo)本的理論值。考慮樣品標(biāo)本本身所固有的系統(tǒng)誤差，我們可以認(rèn)為該實(shí)際值即為標(biāo)本樣品厚度的理論值。

圖16 微蝕處理后切片圖

6.6 微蝕處理的另一種應(yīng)用

銅箔鍍銅后總厚度發(fā)生了改變，可通過(guò)切片的微蝕處理，重現(xiàn)銅箔與鍍銅層的分界線，可應(yīng)用于追溯銅箔的原始厚度，缺陷所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)工序［6］。

圖17 銅箔與鍍銅層的分界線

6.7 切片制作過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題

(1)待觀測(cè)面與樣品不垂直;影響測(cè)量精度。

圖18 待觀測(cè)面與樣品不垂直(研磨面傾斜)

(2)待觀測(cè)面與樣品不垂直(樣品傾斜);影響測(cè)量精度。

圖19 待觀測(cè)面與樣品不垂直(樣品傾斜)

(3)待觀測(cè)面研磨成多個(gè)面;影響觀測(cè)效果和測(cè)量精度。

圖20 待觀測(cè)面研磨成多個(gè)面

(4)研磨成多個(gè)面的觀測(cè)效果

圖21 研磨成多個(gè)面的觀測(cè)效果圖

7 結(jié)語(yǔ)

切片分析技術(shù)雖然是最直觀、低成本、高效率的分析技術(shù)，但需要嫻熟的切片制作技術(shù)才能真正發(fā)揮其作用。

［1］張懷武.何為現(xiàn)代印制原理與工藝［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006，3.

［2］辛國(guó)勝，楊興全.印制電路資訊［J］.深圳:電子行業(yè)協(xié)會(huì)，2009，11.

［3］辛國(guó)勝，楊興全.印制電路資訊［J］.深圳:電子行業(yè)協(xié)會(huì)，2010，2.

［4］祝大同.印制電路用覆銅箔層壓板新技術(shù)［M］.北京:水利水電出版社，2006，2.

［5］祝大同.覆銅板資訊［J］.陜西:覆銅板行業(yè)協(xié)會(huì)主辦，2009，6.

［6］林金堵.例子制電路信息［J］.上海:例子制電路行業(yè)協(xié)會(huì)主辦，2009，9.

Exploration and Application of Copper Foil Defect Analysis Technology

PENG Yong－zhong

(JCC－Yates Copper Foil Inc.，Nanchang，China 330096)

Printed circuit boards must pass certain tests to determine their quality reliability.Manufacturing printed circuit board is a complex process.If there is a quality problem，it will scrap printed circuit board and make it useless.Cross section technology is the analysis technology with the most intuitive，cost－effective and high efficiency.

section;copper foil;CCL;PCB;detection technology;microscopy technology

TN41

B

1009－3842(2011)01－0046－05

2010－12－23

彭永忠(1965－)，男，漢族，江西新余人，工業(yè)工程碩士，主要從事銅箔品質(zhì)管理工作，E－mail:pyzjxtb@sina.com