SEM和EDS在印制電路板的應(yīng)用

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(shì)，這也對(duì)印制線路板的加工制造工藝水平要求越來(lái)越高，在生產(chǎn)制造過程中面臨的問題也會(huì)越來(lái)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(jiǎn)介

（1）掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱SEM）是利用電子槍發(fā)射出來(lái)的聚焦電子束在樣品表面逐點(diǎn)掃描，通過聚焦電子束對(duì)樣品進(jìn)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(lái)的二次電子，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(jiǎn)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(lái)，此時(shí)在內(nèi)層里就會(huì)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(huì)迅速填補(bǔ)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(cè)特征X射線的能量即可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)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(zhǎng)；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(lái)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(xué)鎳金工藝過程管控

對(duì)于化鎳金板來(lái)說(shuō)，鎳腐蝕是致命的缺陷，鎳腐蝕超標(biāo)會(huì)使鎳與焊錫很難甚至無(wú)法形成IMC層，將會(huì)對(duì)可焊性帶來(lái)高風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)光學(xué)顯微鏡無(wú)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(jí)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(wú)法觀察到腐蝕的深度。垂直切片觀察可以準(zhǔn)確的測(cè)量出腐蝕的深度，故做鎳腐蝕分析時(shí)水平與垂直切片都要進(jìn)行。水平SEM觀察時(shí)，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(shí)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(xué)鍍金是鎳原子與金離子發(fā)生置換反應(yīng)，將置換出來(lái)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(huì)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(shí)間過長(zhǎng)等因素都有可能造成腐蝕；在實(shí)際生產(chǎn)過程中通過延長(zhǎng)沉金時(shí)間進(jìn)行鎳腐蝕驗(yàn)證，在鎳厚相同情況下，沉金時(shí)間越長(zhǎng)，化學(xué)鍍金藥水對(duì)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(xué)鍍金時(shí)間在520 s及以下時(shí)，僅出現(xiàn)了輕微的鎳腐蝕現(xiàn)象，而到610s時(shí)則出現(xiàn)了明顯刺入性腐蝕。

2.1.2 化學(xué)鍍銀工藝失效分析

化學(xué)鍍銀是在焊盤表面通過化學(xué)置換反應(yīng)使藥水中的銀被銅置換出來(lái)附在銅面上，由于原電池效應(yīng)有可能會(huì)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(fēng)險(xiǎn)非常大，檢測(cè)銀下銅層空洞非常有必要。通過SEM分析不同配方化學(xué)鍍銀藥水生產(chǎn)出的板的鍍層微觀形貌，可驗(yàn)證不同配方藥水的化學(xué)鍍銀能力。通過實(shí)例分析化學(xué)鍍銀微觀形貌見圖4。配方4化學(xué)鍍銀藥水生產(chǎn)出來(lái)板的鍍層空洞最少，該配方化學(xué)鍍銀藥水沉銀能力較優(yōu)。

表1 鎳腐蝕等級(jí)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(xué)鍍金時(shí)間對(duì)鎳腐蝕的影響

圖4 不同化學(xué)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(rùn)濕情況以及金屬間化合物等都是常見的分析項(xiàng)目。以下兩款可焊性不良的板子，失效品1（見圖5）為化學(xué)鍍錫板上錫不良，失效品2（見圖6）為熱風(fēng)整平焊錫板上錫不良。

圖5 失效品1

圖6 失效品2

對(duì)失效品進(jìn)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(shí)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(duì)失效樣品2的未上錫位置首先進(jìn)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(jìn)一步對(duì)上錫不良焊盤進(jìn)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(rùn)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I(xiàn)MC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(cè)化鎳金板鎳鍍層中磷含量，磷含量的高低會(huì)直接影響到鍍層品質(zhì)，運(yùn)用SEM&EDS可以檢測(cè)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(shí)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(yǔ)

簡(jiǎn)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(cè)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(lái)越強(qiáng)大，普及運(yùn)用會(huì)更廣泛，在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造、品質(zhì)提升中將會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色。