金相技術在電子裝聯領域的應用

摘 要：金相技術作為一種材料的分析手段，在電子裝聯領域中可以應用于：指導焊接工藝參數設計、焊點和單板的失效分析、質量檢驗等多個方面，本文闡述了金相技術原理以及該技術在以上個方面的運用方法。

金相技術是有損檢測方法的一種，金相技術作為一種比較古老的技術多用于對材料，尤其是金屬材料的分析。通過取樣、鑲嵌、研磨、拋光等步驟得到一個截面的信息，通過分析截面的微觀形貌，得到材料內部的信息，包括材料形態、結構，材料內部的不同成分的組織形態、層次、結構，內部是否有裂紋、空洞、夾雜等缺陷，不同材料之間的結合情況等等。通過材料內部信息的分析，可以根據材料的成分和組織形態得出材料的基本性能，如力學性能、機械性能等。通過分析材料內部的缺陷現象，協助分析材料的加工工藝，從而達到減少缺陷、提高質量的目的。
金相試樣的觀察面要**平整光滑的平面，因而對制備的設備有一定要求。目前我司的金相試樣制備設備是德國BUEHLER公司的設備，主要包括金剛石切割鋸床、真空器、磨盤、供料器，分別承擔著切割取樣，鑲嵌過程排除鑲嵌樹脂中的氣泡，研磨、拋光，自動供給拋光液的任務。經過試樣的制備后要針對不同的金屬材料成分使用不同的腐蝕液腐蝕試樣，就可以在顯微鏡下觀察試樣外觀形態結構的同時得到試樣材料的相關信息。
試樣制備后根據觀察的根據不同，得到的信息也有區別。普通的光學顯微鏡的**放大倍數為1000－2000倍，掃描電子顯微鏡（SEM）的放大倍數可達數萬倍，可以觀察到更加細微的組織形態，同時還可以利用配套的能譜儀分析得到試樣上某一位置的材料組成元素及其含量。
下面本文將詳細介紹金相分析技術在電子裝聯中的具體應用。

金相分析技術在電阻裝聯工藝裝聯工藝中的應用：
1、焊接工藝參數在金相照片中的體現
金相分的方法可以直觀的分析材料的形態、結構以及內部的微觀形貌信息，工藝條件和參數直接影響焊點的形貌的特性，材料的特性與材料的形貌有直接的聯系，因而可以通過材料的形貌分析得到并指導工藝參數設置。
不同的焊接溫度會對焊點的組織形態產生影響：圖2為標準的SnPb共晶組織形態，其中黑色部分為富Pb相，白色部分為富Sn相，兩種相呈層片狀交替排列。焊接的溫度和時間會對SnPb組織的形態產生影響。在焊接的降溫階段，降溫速率越快，則層片狀組織越細密。如果降溫的速率緩慢，則部分Pb會在局部集中，形成大塊的富Pb相，如圖3中的黑色，蝴蝶狀組織。如果焊錫經多次高溫，且沒有重新熔化，則會形成較多的蝴蝶狀富Pb相，如圖4，是BGA內部FLIPCHIP的焊點，在回流焊接中沒有重熔，或降溫過慢，形成了較多的蝴蝶斑紋（從圖中的Sn、Pb比例來看焊點成分接近于共晶成分），焊點在經過老化處理，或者經過設備的正常服役環境，焊點的組織會在溫度和應力的作用下長大，粗化形成類似的形態。

同時焊點中焊錫與焊盤或元器件引腳的金屬間化合物（IMC）的厚度也直接受到焊接溫度和時間的影響。眾所周知，焊接中IMC的厚度與焊接的溫度和時間成正比。因而可以從IMC的相對厚度來判定焊接的溫度是否適合，高溫時間是否得當。綜合以上兩條我們就可以根據焊點的金相圖中分析得到焊接的溫度、時間、焊接后的降溫速率是否適合。反之，根據焊點的內部形態判斷焊點質量，還指導焊接工藝參數設定：由于金屬間化合物多為脆性相，焊點的失效位置多為焊點的金屬間化合物處，因而金屬間化合物的厚度直接影響焊點的質量和壽命。可以通過焊點的金屬間化合物的厚度來指導焊接的溫度以及時間確定，以保證焊點質量。

2、對工藝試樣的補充分析和對工藝實驗結果的確認：
下面三圖是不同表面處理的PCB板的焊點分析照片。HASL的PCB焊盤與焊錫形成IMC厚度比OSP的要厚。原因在于在HASL的過程中Sn已經與Cu焊盤形成一定厚度的Cu6Sn5，而OSP板的Cu焊盤上只有一層有機保護膜。在相同的焊接條件下，焊接后HASL的單板焊點處的Cu6Sn5相對于OSP保護的Cu焊盤得到了**次的生長。HASL是我司應用的PCB表面處理方式，金相分析表明OSP和化學Ni/Au的處理方式與HASL在焊接后，焊錫與焊盤的結合緊密，均有一定厚度的IMC生成（見表1），所有三個分析的焊點均未發現明顯的缺陷，其焊料組織也完全正常。因而從焊接質量的角度可以認定三者都可以與焊錫形成良好的連接。

3、金相技術在失效分析中的應用
在斷定焊點失效后，金相圖片中可以直接看到焊點處失效的位置，分析出失效的起因、初始位置，協助設計的改進，問題的解決。

a、華為電氣鋁基板焊接缺陷分析：
華為電氣*初生產的鋁基板的插針焊接后的強度不夠，用手輕輕推動即會從焊接處斷開。在改變焊接的溫度和增加錫膏量后仍然改善不大。金相分析后的照片如圖所示，焊點皆有較好的彎月面（fillet），表明焊點形狀良好，但照片中顯示幾乎所有焊點均出現有大量空洞（void），主要存在與焊針與焊料界面及焊針與焊盤之間。經過對插針本身的鍍層分析得知，插針的鍍層成分和厚度與供應商提供的數據嚴重不符，而且從圖中可以清洗的看到鍍層中存在較多的空洞，鍍層與集體之間的結合面有細微的裂縫和分離現象。所以改善插針的鍍層質量才是提高焊接質量的關鍵。

b、焊點空洞分析：
下面兩圖中可見，焊點中原件附近聚集較大的空洞，從空洞的存在可以初步懷疑焊接的溫度不夠或者時間過長，導致錫膏中的焊劑殘留物無法及時徹底的排出。但是對于同一焊點的焊盤處的金相照片可以看出界面的IMC已經生成，且厚度在1-2um之間，即焊接的峰值支溫度和錫膏的熔化時間是合理的，從第三張照片看得知原件的端頭鍍層致密，與焊錫的結合良好，可以基本排除原件可焊性的問題（應該通過可焊性測試來確認問題），因此可以從焊接的預熱部分和錫膏的質量找原因，看是否預熱的時間或預熱溫度不夠，錫膏的使用是否正確。

4、對于PCB板的分析：
對于PCB板金相分析的方法可以直觀的得到許多板內各層的加工質量信息，如孔壁厚度是否適合，孔壁是否有缺損等，具體如圖14所示。*近始終困擾我司的PCB板的質量問題就是爆孔，下面圖中所示為其中一張爆孔分析的金相照片，可以清洗的看到PCB孔壁局部完全沒有銅層連接，焊點內部對應于該位置有一個空洞。可以初步判定該處爆孔與孔壁缺損有關。

5、直觀的分析各種元器件以及單板的鍍層以及其他部分的厚度或尺寸
我司的Leica顯微鏡的配套軟件中具有測量圖形水平垂直尺寸的功能，下面圖中為一種插針的鍍層厚度測量。可以用于對鍍層的定量分析方法之一。

6、可以分析元器件的內部缺陷問題：
作為器件分析的輔助手段，可以具體觀察關注層面的具體缺陷的現象，協助查明器件的失效原因。
例如，在2000年公司的某單板的BGA焊接后測試始終存在一定比例的開路缺陷，在一系列的工藝改進和分析后，問題仍然存在，經過對BGA器件金相進行解剖分析，得到了失效的原因。
分析樣品中包含未經裝配的參考BGA樣品2個，已經裝配在板上但懷疑失效的樣品2個，2個從板上拆下的失效樣品。
所有樣品包括未裝配的參考樣品內皆存在明顯的球焊異常。實驗過程中也發現樣品在精細拋光前，鋁層仍基本可見，但經過精細拋光后消失如圖所示，該現象說明樣品內的鋁層與芯片的結合很弱。
這些信息尚不足以確定鋁層異常原因，但可以推測或者鋁層濺射工藝本身出現問題（如污染、真空度等）導致鋁層結合不牢，或者在晶片儲藏、封裝過程中產生鋁層腐蝕，導致鋁層結合強度下降。但無論是那一種情況，其*終后果都是導致金絲球焊接本身的結合強度下降，從而產生較高的開路失效比例。

7、可以作為物品中心的物料的認證和物料的檢驗：
如，可以分析電容是否內部斷裂等，下面圖為內部存在裂紋的陶瓷電容，從中可以判定，該處的失效為器件的損壞，而非焊點失效。

8、借助電子顯微鏡設備可以分析得到所關注位置的成分。
如焊接該處中我們比較關注焊接鍍層IMC厚度和成分，厚度可以直接通過金相照片測量，成分則要借助掃描電子顯微鏡的能譜分析儀對固定位置進行成分分析。下面兩圖分別為電阻端頭與焊錫的結合面和IMC處的能譜分析結果。

金相分析的的弊端：
首先，金相分析作為有損分析，分析后的樣品沒有繼續使用的價值；應用于電子裝聯的缺陷分析點一般比較微小，在金相樣品的制備過程中如果，沒有操作經驗，很容易破壞失效現場，得不到真是的分析結果。因而，在進行金相分析之前應該首先應盡量用無損的檢測方法找到問題的確切位置。
其次，金相樣品的制備過程還包含一些具體的操作手法的問題，手法不當會扭曲分析樣品的事實真相，比如，過高的研磨速度，或沒有水的冷卻，會使焊點的溫度升高，使焊點內的組織粗化，導致對焊接條件的誤判；研磨的方向不正確會使相鄰不同金屬間相互掩蓋，混淆，使得無法準確觀察到焊接界面形態和IMC厚度。因而，在應用金相分析的方法之前要確認問題的具體位置；在樣品的制備過程中要請有經驗的人指導。
總結：
金相分析的方法作為古帶來材料分析方法在電子裝聯領域中可以有多方面的應用，通過金相分析可以反映焊接工藝參數，同時可以根據分析結果指導焊接工藝；在失效分析、PCB、來料的檢驗和分析、器件分析等多個方面有用武之地；應用SAM技術還可以得到不同位置的材料組成成分和比例。但在使用金相分析的方法之前應盡量作好無損的檢測，確保金相分析的準確，避免有效信息的丟失。