梁禮振 黃賢權(quán) 郭賢麗

（深圳市景旺電子股份有限公司，廣東 深圳 518102)

( 廣東省高可靠性汽車印制電路板工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518102）

0 前言

隨著集成電路的技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備小型化多功能用途化成為趨勢，這也對印制線路板的加工制造工藝水平要求越來越高，在生產(chǎn)制造過程中面臨的問題也會越來越多[1][2]，而SEM&EDS為產(chǎn)品失效分析和元素分析提供了便利，可以快速有效排查生產(chǎn)、使用過程中的問題，并提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 SEM&EDS原理簡介

（1）掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM）是利用電子槍發(fā)射出來的聚焦電子束在樣品表面逐點掃描，通過聚焦電子束對樣品進行轟擊，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化，通過收集放大被轟擊出來的二次電子，轉(zhuǎn)換成電信號后可得到樣品表面的形貌圖像。[3]

（2）X射線能譜儀（X-ray Energy Spectrometer，簡稱EDS）：是利用入射電子與試樣表面微米范圍內(nèi)原子相互作用，將試樣中原子的內(nèi)層電子轟擊出來，此時在內(nèi)層里就會形成電子空位，由于這種激發(fā)態(tài)是一種很不穩(wěn)定的狀態(tài)，處于外層的電子會迅速填補到內(nèi)層電子空位上使原子體系趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，這一過程釋放的能量就是特征X射線[4]。特征X射線是物質(zhì)固有的特征，不同元素所發(fā)射的特征X射線的能量一般都不相同，通過檢測特征X射線的能量即可以對物質(zhì)進行定性及定量分析。通常存在式（1）關(guān)系：

式（1）中：h為普郎克常數(shù)；為光速；λ為特征X射線的波長；E為光子能量。

2 在印制電路板中的應(yīng)用

SEM和EDS聯(lián)用可分析印制電路板生產(chǎn)及使用過程中產(chǎn)生的失效問題，并找出失效原因。其中SEM主要觀察各種鍍層中的微小品質(zhì)缺陷，而EDS則是分析鍍層的元素比例及判定異物的來源，找出失效的根源，避免問題的再次發(fā)生。

2.1 表面處理中的應(yīng)用

2.1.1 化學鎳金工藝過程管控

對于化鎳金板來說，鎳腐蝕是致命的缺陷，鎳腐蝕超標會使鎳與焊錫很難甚至無法形成IMC層，將會對可焊性帶來高風險。常規(guī)光學顯微鏡無法觀察到鍍層微觀形貌，但是利用SEM可直接的分析到鍍層的腐蝕情況及腐蝕程度。腐蝕等級判定（見表1），參考IPC-4552A。

鎳腐蝕觀察分水平與垂直切片觀察兩種方式，水平觀察焊盤表面可以大范圍觀察鎳腐蝕情況，但是無法觀察到腐蝕的深度。垂直切片觀察可以準確的測量出腐蝕的深度，故做鎳腐蝕分析時水平與垂直切片都要進行。水平SEM觀察時，放大到3000X左右即可清晰觀察到金面狀況（如圖1），良好的鍍層是均勻、致密的晶格，若是晶格間存在較大的縫隙，則十之八九是發(fā)生了鎳腐蝕；垂直切片觀察時需要用收縮率小的樹脂包埋研磨拋光后方可放入電鏡中觀察，切片SEM圖（見圖2）。

化學鍍金是鎳原子與金離子發(fā)生置換反應(yīng)，將置換出來的金附在鎳面上形成金層，因金層上有疏孔，故即使是鎳面被金層完全覆蓋，金厚不再增加，沉金藥水也會通過疏孔繼續(xù)攻擊鎳面使之發(fā)生腐蝕。銅面粗糙度、沉鎳藥水污染、鎳層氧化、沉金時間過長等因素都有可能造成腐蝕；在實際生產(chǎn)過程中通過延長沉金時間進行鎳腐蝕驗證，在鎳厚相同情況下，沉金時間越長，化學鍍金藥水對鎳面的攻擊就越劇烈，產(chǎn)生的鎳腐蝕就越明顯，數(shù)據(jù)詳見圖3。從表中可看出，化學鍍金時間在520 s及以下時，僅出現(xiàn)了輕微的鎳腐蝕現(xiàn)象，而到610s時則出現(xiàn)了明顯刺入性腐蝕。

2.1.2 化學鍍銀工藝失效分析

化學鍍銀是在焊盤表面通過化學置換反應(yīng)使藥水中的銀被銅置換出來附在銅面上，由于原電池效應(yīng)有可能會導(dǎo)致銀層下銅產(chǎn)生空洞，而銀下銅層空洞的存在容易造成焊接后形成的IMC斷裂，致使可靠性失效風險非常大，檢測銀下銅層空洞非常有必要。通過SEM分析不同配方化學鍍銀藥水生產(chǎn)出的板的鍍層微觀形貌，可驗證不同配方藥水的化學鍍銀能力。通過實例分析化學鍍銀微觀形貌見圖4。配方4化學鍍銀藥水生產(chǎn)出來板的鍍層空洞最少，該配方化學鍍銀藥水沉銀能力較優(yōu)。

表1 鎳腐蝕等級判定表

圖1 SEM觀察金面狀況

圖2 SEM觀察剖面狀況

圖3 化學鍍金時間對鎳腐蝕的影響

圖4 不同化學鍍銀藥水鍍層表面SEM圖

2.2 SMT焊接不良分析

SMT工藝中，可焊性不良是最常見的問題，焊盤是否潔凈、鍍層是否正常、錫膏與焊盤的潤濕情況以及金屬間化合物等都是常見的分析項目。以下兩款可焊性不良的板子，失效品1（見圖5）為化學鍍錫板上錫不良，失效品2（見圖6）為熱風整平焊錫板上錫不良。

圖5 失效品1

圖6 失效品2

對失效品進行EDS元素分析，發(fā)現(xiàn)未上錫焊盤上有Ba、S等異常元素，見圖7、圖8，油墨的成分含量有大量的Ba、S、Si等元素，由此可知，是焊盤上有油墨污染造成了上錫不良。油墨殘留是由于在阻焊工序中預(yù)固化、曝光、顯影時參數(shù)有所偏差造成了顯影不凈而導(dǎo)致了微量的油墨殘留在焊盤上，通過參數(shù)調(diào)整后可改善此類問題。

對失效樣品2的未上錫位置首先進行元素分析，未發(fā)現(xiàn)上錫不良焊盤上有其它異常元素（如圖8）。

進一步對上錫不良焊盤進行垂直切片分析（如圖9），發(fā)現(xiàn)上錫的位置形成的IMC連續(xù)良好，厚度在1.55 μm～3.427 μm之間，且上錫位置潤濕角＜90°，見圖9（c）；沒有上錫位置的IMC厚度在1.391 μm～2.3 μm之間，但IMC之上沒有純錫層見圖7c。由此可見，是由于焊盤上沒有純錫層導(dǎo)致使之焊接不良。

2.3 SEM和EDS在其它工序中的應(yīng)用

圖7 失效品1的EDS譜圖

圖8 失效品2的EDS譜圖

圖9 上錫不良焊盤垂直切片

SEM和EDS除了在表面工藝與失效分析中應(yīng)用外，在工藝質(zhì)量管控中也起到非常重要的作用，比如檢測化鎳金板鎳鍍層中磷含量，磷含量的高低會直接影響到鍍層品質(zhì)，運用SEM&EDS可以檢測到鎳層中磷含量。整板電鍍后，為判定鍍銅層結(jié)晶的優(yōu)劣，通過SEM觀察鍍銅結(jié)晶狀況，避免柱狀結(jié)晶缺陷的產(chǎn)生。其次，鉆孔后、金屬化孔前，為避免孔壁分離，判斷鉆孔時熔融在內(nèi)層銅上殘膠是否去除干凈，用SEM可清晰觀察。

3 結(jié)束語

簡述了SEM和EDS的工作原理，列舉了其在印制電路板中的應(yīng)用。隨著電子設(shè)備的快速發(fā)展，印制電路板高集成度、高精密度，常規(guī)的檢測儀器顯得捉襟見肘，伴隨著SEM和EDS的更新?lián)Q代，其功能將越來越強大，普及運用會更廣泛，在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造、品質(zhì)提升中將會扮演越來越重要的角色。