电子产品微切片分析及其应用（连载一）

惠州光弘科股份有限公司 袁华忠 温军民   审稿：薛广辉

1 切片的分析及其应用

随着科技水平的发展和工艺的进步，电子产品向微型化、复杂化和系统化的方向发展，而其功能却越来越强大、集成度越来越高、体积越来越小。切片分析是借助切片分析技术和高倍率显微镜确认电子元器件的失效现象，分析工艺、原材料缺陷的手段。通过显微镜剖切技术制得的微切片，可用于电子元器件结构剖析、检查电子元器件表面及内部缺陷检查。

切片，又名切片技术、金相切片或微切片（英文名：Cross-section，X-section），是一种观察样品截面结构情况最常用的制样分析手段，在PCB/PCBA/整机/零部件等制造行业中是最常见的也是最重要的分析方法之一，切片技术在电路板品质检测、PCBA焊接质量的分析、样本失效、原因的判断、制程的改进方面扮演了重要角色，作为客观检查、研究、解决方案寻求的根据。涉及到众多应用领域：如电子行业、金属制品业、汽车制造业、通信设备、科研等。

2 切片方法的形式分类

在开始实验前，我们需要通过初步判断，选择能够更加快捷准确地发现问题的切片方法，切片按研磨方向分为垂直切片和水平切片两种：
    2.1 垂直切片即沿垂直于板面的方向切开，观察剖面状况。垂直切片是切片分析中最常用的方式。
    2.2 水平切片是顺着板子的叠合方向一层层向下研磨，用来观察每一层面的状况，通常用来辅助垂直切片进行品质异常的分析判定。

3 切片分析方法

3.1 材料准备工作：

3.1.1整机切片

3.1.1.1 现场与客户确认试样失效部位或观察部位或要求客户提供位置图，用漆笔标识好辅助线，为下一步操作做铺垫。

3.1.1.2 登记试样相关信息：机型、数量、刀数、FSN、送测样品是何组件、送检工厂、送检部门及姓名，备注需要观察的部位或不良现象。

3.1.1.3 将试样贴上6mm厚垫片，如果表面光滑可先用砂纸打磨，以防浇注时发生偏移。

3.1.1.4 若是整机切片，电池还剩有电量，灌胶前切记先放完电并撕掉标签，抽出卡托，以便进胶。

3.1.1.5 将试样装入对应的容器，需要横平竖直，对齐容器边框。

3.1.1.6 准备快速环氧冷镶嵌1套，环氧树脂与树脂固化剂，配比2：1，固化时间50~120分钟；慢速环氧冷镶嵌1套，环氧树脂与树脂固化剂，配比2：1，固化时间24小时。

注意事项：1.垫片需要根据不同组件贴不同位置，如整机、中框、电池盖尽可能避开要切割的位置（失效部位或观察部位置点）。2.灌胶前需要把露出的cable线、卡托、标签、贴膜等去掉，方便内部结构进胶，结构允许的话，钻孔进胶也是可以的（手机不建议钻孔操作）。3.快胶仅适用于小板、电池盖、中框等没有电池的组件，二次胶等；慢胶仅适用于整机、半模。若使用快胶，固化过程中放热过高导致内部膨胀，引起结构变形。（备注：快胶固化过程放热最大峰值130℃，慢胶固化过程放热最大峰值40℃）

3.1.2主板切片

3.1.2.1 现场与客户确认试样观察部位或工场提供Geber图及位置图，用漆笔标识好辅助线，为下一步操作做铺垫。

3.1.2.2登记试样相关信息：主板机型、数量、刀数、FSN、送检工厂、送检部门及姓名，备注需要观察的部位或不良现象。

3.1.2.3 将试样使用夹具固定，垂直水平放进容器中，以防浇注时发生偏移。

3.1.2.4 准备快速环氧冷镶嵌1套，环氧树脂与树脂固化剂，配比2：1，固化时间50~120分钟；慢速环氧冷镶嵌1套，环氧树脂与树脂固化剂，配比2：1，固化时间24小时。

注意事项：1.快胶仅适用于小板、间隙较大或者内部有填充胶的元器件。慢胶适用于间隙较小且焊点较多的元器件；若使用快胶，固化过程中放热过高导致内部膨胀，引起结构变形，以及固化速度过快导致胶水未能进入到间隙小的元器件内部。（备注：快胶固化过程放热最大峰值130℃，慢胶固化过程放热最大峰值40℃）

3.2 试样包埋操作

设备技术参数：

最大秤量：1500g

最小秤量：1g

检定分度值：0.5g

实际分度值：0.05g

准确度等级：Ⅲ

电源：220V 50Hz 

采用英展ACW-1.5A计重电子天平称量封胶

3.2.1 确认所用胶水的总重量（g），选取合适的杯子调胶；如需120g以上的胶水可用700ml杯，如只需120g以下的胶水，用250ml杯即可。

3.2.2 放置纸杯或塑料器皿在电子称上，清零操作。先称固化剂，再倒入环氧树脂（按环氧树脂与树脂固化剂，配比2：1）。

3.2.3 将胶水搅拌至絮状物消失后静置30秒，方便气泡排出，胶水内无明显大气泡即可。

3.2.4 将调好的胶水沿着模具的一侧缓缓倒入，避免来回倾倒。

3.2.5 抽真空/不抽真空

真空含浸(包埋)是通过真空泵将工作室抽空，使工作室内的气压低于大气压，然后将待浸泡的材料放入工作室内，再将液体输送到工作室内，使之浸润到材料中，使其达到目标效果。

A 真空镶嵌机：从样品中抽出空气，减少样品与固化胶之间的缝隙，避免研磨/抛光脆弱的试样结构受损。

B真空压力锅：从样品中真空把胶水挤压的方式渗入，减少样品与固化胶之间的缝隙，避免研磨/抛光脆弱的试样结构受损。

3.2.5.1开关压力锅：将锅盖把手扳到垂直的位置，旋转锅盖90°，锅盖仅仅在压力完全释放后才能取出，锅盖在压力释放后会下沉。关锅盖使用相反操作。必须指出锅盖支撑杆要适合压力容器边缘的模具。

3.2.5.2 将浇注好的试样平稳缓缓地放入真空压力锅，开关上移(开启)，观察显示压力达到2.0bar即可。

设备技术参数：

操作压力：2.0 bar

安全阀：2.8~3.3 bar

连接管：3~10 bar

尺寸：340mm×340mm×2550mm（宽×深×高）

重量：4kg

Technomat 压力锅的功能设计简单而且易于操作。当阀门上移，压力将达到2.0bar，压力表会显示工作压力，通过向下移动阀门使压力释放。压力锅是节省空间的紧凑型设备，锅身使用特殊树脂制作，压力容器使用不锈钢制作。

3.2.6 胶水固化、脱模、取出试样。制样完检查事项：1. 目检失效部位或观察部位是否有大气泡。2.试样内部结构是否有变形。

3.2.7 根据客户要求画好辅助线，如已画好辅助线则无需再画，如试样数量和类型较多，需按类型区分及编号，如：类型1#、类型2#。

注意事项：1.搅拌胶水时需要顺时针，逆时针来回搅拌30秒，切记勿用力搅拌容易产生气泡。2.根据样品的大小选择模具及确定胶水的总重量(g)。胶水固化工作环境在25℃，如温度过低，环氧树脂需要预热10分钟左右，否则流动性差容易产生气泡。3.根据客户要求，快胶配合抽真空效果更佳，慢胶可选择不抽真空，依试样内部结构因素决定。4.辅助线一般为客户观检点，切片时需要切余量2~3mm，然后慢慢磨过去。如果不确定是往左、右方向观察点，需要与工程师或客户确认清楚。

设备技术参数：

进刀速度：0.01~0.30mm/s（调节步长为0.01）

切割锯片转速：500~6000rpm

工作行程：Y轴130mm

切割片尺寸：200×32×1mm（金刚石切片或树脂切片）

外形尺寸：780mm×870mm×440mm（长×宽×高）

切割功率：1200W

电源：220V 50Hz/重量：190kg

3.3 试样切割操作

高速精密切割机适用于对金属、电子元件、陶瓷材料、晶体、硬质合金、岩样、矿样、混凝土、有机材料、生物材料（齿、骨）等材料进行精密的无变形切割。

3.3.1 将待切割物块放入夹具，开启切割机前需确认：1.刀片与辅助线是否平行，根据位置点辅助线置于刀片或左或右余点，2.切割物是否固定牢固。

3.3.2 调整刀片，距待切物1~2mm，刀片可无阻力转动。

3.3.3 设备按键从左到右分别为启动、停止、控制刀片前进、控制刀片后退、出水、急停。（备注：切割过程中设备出现任何异常，可按急停按键。）

3.3.4 点击显示屏进行主菜单界面，点击“参数设置”按钮进入参数设置界面，一般只需调整切割速度即可，切割速度根据待切物的厚度而定。（备注：1.切割行程是按开启设备时算起，与刀片位置无关。2.切割样机厚度在2cm以上，切割速度需调整0.05mm/s或更小.）

3.3.5 调整完参数后返回至主界面，点击运行画面，此画面为当前设定参数及当前运行实际距离，也可在此触击启动或停止切割机控制操作。设备运行中，随时观察刀片运行情况及出水情况。

3.3.6 切割完，将切割试样拼回原样，根据样品的切片位置进行编号并拍照，以便报告编写及客户返回再确认细节。

注意事项：1.启动设备前，手动按出水按钮查看出水是否正常，设备启动时，每隔3~5分钟，通过仓门的透明玻璃观察出水情况，以防干切损坏设备。2.设置参数时，切割行程一般不动，如果样品很厚，可将行程调大(长)点，行程一般在60~65mm（如果切割物高出固定夹具，行程调整高于70mm，主轴易碰撞切割物，不仅损坏设备，而且损坏切割物，所以行程不建议去更改）。3.切割前应当检查待切物是否相邻两边未包住，如果是，则需二次灌胶后再切割，预防切割应力导致样品形变。4.本文介绍的是竖切的方式（因设备无红外线辅助，切割不准，调整夹具繁琐）。  

3.4 试样研磨操作

设备技术参数：

盘面尺寸(mm): Ø203.2 (8”)

盘面数量：2

研磨方式：手动

功率(W)：400

盘面转速(rpm):1~600(有效转速10~600)

可设定最大时间(min:s): 99:59

机台尺寸WxDxH(mm): 880x650x572

曝机台重量(kg)：65

采用PLATO-E 系列 P20G-2手动研磨抛光机、砂纸、抛光布及相应抛光液对样品研磨抛光。

3.4.1 试样粗磨（粗磨的目的是平整试样，磨成合适的形状）①.研磨时，需从粗至细的步骤，先用P80砂纸磨，再P180砂纸和P800砂纸。②.调整适合操作者的转速，准备研磨，一般只需修改转速即可，在换砂纸前可长按甩水把水甩干。③.研磨时垂直放入，保证研磨面平整，确认磨的位置点是否垂直及在水平面，若磨偏了需及时修正。

3.4.2 试样精磨（精磨的目的是消除粗磨时留下的较深划痕，为抛光做准备）①.研磨时，需从粗至细的步骤，先用P1000砂纸磨，再P2000砂纸，P3000砂纸，P4000砂纸。②.调整转速，一般只需修改转速即可，在换砂纸前可长按甩水，把水甩干。③.细磨需在保持垂直、水平基础上，随时观察是否磨到该砂纸的细腻。

注意事项：手控研磨时，需要随时观察前后左右上下面是否平齐，每个角是否成90度，同时也留意勿磨过需要观测的截面。

3.5 试样抛光操作

抛光的目的是把磨光留下的细微磨痕去除，使磨面成为无痕的镜面。一般分为机械抛光、化学抛光、电解抛光三种。

机械抛光：常用的为金刚石磨膏、氧化铝粉；化学抛光：反应涉及到的化学物质主要包括强酸、强碱以及氧化剂；电解抛光：采用电化学溶解作用使表面达到抛光的目的。

3.5.1 打开水管清洗抛光盘上的残留物，然后长按甩水按钮，将抛光盘面的水甩干。

3.5.2 将调至好的抛光液倒入抛光盘上，启动设备，将试样平稳垂直接触抛光布在同一方向不动，在一定时间内持续加入抛光液。

3.5.3 超声波清洗操作

3.5.3.1若主板样品首先使用清洗剂清洗一遍，目的是增加环氧树脂与器件的粘合度。

3.5.3.2将试样放入超声波清洗机清洗，抛光面朝上放，切勿朝下或侧放，预防抛光面碰伤、擦伤。

3.5.3.3 将清洗完试样用气枪吹干或无尘布轻微擦干。

设备技术参数： 

型号：AK-040SD

最大容量：10L

内槽外尺寸：300mm*240mm*150mm

外形尺寸：328mm*268mm*277mm

超波功率：300w, 加热功率：450w

超声频率：40KHz

时间控制：1~30min,温度控制：常温~80℃

电源： AC220~240V 50Hz

超声波清洗是利用超声波的振动作用将悬浮在水中的微粒或污垢从物体表面或孔隙中清除的一种特殊技术。超声波清洗具有高效、无损、高频、节能等特点，被广泛应用于各个行业中的清洗工作。

注意事项：抛光时，需要随时观察前后左右上下面是否平齐，每个角是否成90°，保持适中的向下压力，切勿用力过大， 随时观察抛光面的划痕是否去除。

3.6 试样腐蚀/不腐蚀

在显微镜下观察到抛光样品的组织必须进行金相分析腐蚀。腐蚀的方法有很多种，主要有化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀等，其中化学腐蚀最常用。

化学腐蚀：采用化学试剂的溶解，借助于化学或电化学原理显示金属的组织。化学腐蚀分为浸入法和擦拭法，当光亮的表面逐渐失去光泽，到最终变成灰黑色，一般宜先浅腐蚀，待腐蚀后使用显微镜观察腐蚀程度，如果组织未显露可不经抛光再进行腐蚀。

电解腐蚀：利用各相之间的电位差实现腐蚀。适用于化学侵蚀法不易侵蚀的具有极高化学稳定性的合金，如耐热钢、热电偶材料等。

恒电位腐蚀：利用外加电压在电解质溶液中引发氧化还原反应，从而析出或溶解特定物质。

3.6.1 基铜腐蚀

腐蚀液配置：纯水（H₂O）：氨水（NH₃）：双氧水（H₂O₂）=40：20：1

1）基铜上再镀铜：如果基层铜与电镀铜之间的层与层看不清楚而又要求测量电镀铜的厚度。如果切片仅用于检查空洞或其它目的时，可以不要求微蚀处理。

2）镍上再镀金和基层铜上再镀镍：如果金与镍或镍与铜层相连看不清楚而又要求测量金或镍厚度。3）基铜上镀铅锡：如果铅锡与铜之间看不清楚而又要求测量铅锡厚度。

    3.6.2 基铜与焊锡腐蚀

腐蚀液配置：纯水（H₂O）：氨水（NH₃）：双氧水（H₂O₂）=40：20：1（基铜腐蚀）酒精：盐酸=5：1（焊锡腐蚀），用于焊接后形成的IMC层厚度测量

    3.7 试样金相分析

设备技术参数：

仪器型号：LEICA DM2700M 金相显微镜

外尺寸：500mm*340mm*640mm

放大范围：50X-1000X

图像分辨率范围从130w pixel到800w pixel

最大视场范围可达到100 × 100mm

观察高度可高达80mm

曝光时间范围从100us秒到30s

每个颜色通道内的颜色深度可多达16 bits 

采用Leica DM2700M 金相显微镜对切片试样进行观测

3.7.1 使用台式光学显微镜目视对试样结构样貌、抛光面细腻度进行观察。

3.7.2 精磨完之后，将试样放在显微镜载物台上，对试样进行焊点、微小裂纹观察分析、截面化合物形貌、金属间化合物形貌分析及尺寸测量，最后输出报告。

3.7.3 将原图照片相关资料以及切片尸体保存留档。

上述步骤将内部结构/缺陷暴露，从而观察到PCB/PCBA/整机等试样制定横截面的形貌及结构，通过这些微观形貌/结构信息（镀层、结合面等）以及产品质量要求，判定产品质量优劣，为下一步参数调整、缺陷避免、质量提升提供有效依据。
下面给大家介绍一下实验室检测的测试内容：
a.微尺寸测量，如镀层厚度、通孔孔径、气孔大小、缺陷面积、焊缝高度、焊点宽度等；b.结构缺陷的检查，如焊脚空洞、裂纹、虚焊等；c.走线层数的检查，界面结合情况等；d.结构剖析，如截面形状、结合型式等。
    切片分析是一种对样品进行破坏性试验的技术手段，是电子制造行业中最常见的也是最重要的分析方法之一，前期切片样品制备质量的好坏将直接影响失效部位观察、分析的准确性。
    因此对试验人员的能力要求十分严格，实验室检测的工程师在该领域拥有丰富的实践经验，对于特殊情况下的样品制备处理有着成熟完整的检测能力。下面将以切片分析的典型案例来展示工程师的技术和分析能力。

在接下来的连载中，会针对具体案例来讲解如何利用切片技术来分析解决问题。

作者简介：

袁华忠 惠州光弘科股份有限公司技术中心测试主管，电子制造业从业15年。

温军民 惠州光弘科股份有限公司技术中心测试工程师，累计IT产业工作年资20年，曾在数家知名EMS厂品质部、工程部、实验室历练。

他们在光弘实验室，藉由各种机械与环境实验后造成的失效模式，以各种先进设备进行分析，透过检测的数据，图表，图谱，结合材料，生产条件等基础理论进行实际案例的解析，在可靠性实验能力方面积累了丰富的实战经验。