金相技术在电子装联领域的应用

金相技术在电子装联领域的应用

摘 要：金相技术作为一种材料的分析手段，在电子装联领域中可以应用于：指导焊接工艺参数设计、焊点和单板的失效分析、质量检验等多个方面，本文阐述了金相技术原理以及该技术在以上个方面的运用方法。

金相技术是有损检测方法的一种，金相技术作为一种比较古老的技术多用于对材料，尤其是金属材料的分析。通过取样、镶嵌、研磨、抛光等步骤得到一个截面的信息，通过分析截面的微观形貌，得到材料内部的信息，包括材料形态、结构，材料内部的不同成分的组织形态、层次、结构，内部是否有裂纹、空洞、夹杂等缺陷，不同材料之间的结合情况等等。通过材料内部信息的分析，可以根据材料的成分和组织形态得出材料的基本性能，如力学性能、机械性能等。通过分析材料内部的缺陷现象，协助分析材料的加工工艺，从而达到减少缺陷、提高质量的目的。
金相试样的观察面要**平整光滑的平面，因而对制备的设备有一定要求。目前我司的金相试样制备设备是德国BUEHLER公司的设备，主要包括金刚石切割锯床、真空器、磨盘、供料器，分别承担着切割取样，镶嵌过程排除镶嵌树脂中的气泡，研磨、抛光，自动供给抛光液的任务。经过试样的制备后要针对不同的金属材料成分使用不同的腐蚀液腐蚀试样，就可以在显微镜下观察试样外观形态结构的同时得到试样材料的相关信息。
试样制备后根据观察的根据不同，得到的信息也有区别。普通的光学显微镜的**放大倍数为1000－2000倍，扫描电子显微镜（SEM）的放大倍数可达数万倍，可以观察到更加细微的组织形态，同时还可以利用配套的能谱仪分析得到试样上某一位置的材料组成元素及其含量。
下面本文将详细介绍金相分析技术在电子装联中的具体应用。

金相分析技术在电阻装联工艺装联工艺中的应用：
1、焊接工艺参数在金相照片中的体现
金相分的方法可以直观的分析材料的形态、结构以及内部的微观形貌信息，工艺条件和参数直接影响焊点的形貌的特性，材料的特性与材料的形貌有直接的联系，因而可以通过材料的形貌分析得到并指导工艺参数设置。
不同的焊接温度会对焊点的组织形态产生影响：图2为标准的SnPb共晶组织形态，其中黑色部分为富Pb相，白色部分为富Sn相，两种相呈层片状交替排列。焊接的温度和时间会对SnPb组织的形态产生影响。在焊接的降温阶段，降温速率越快，则层片状组织越细密。如果降温的速率缓慢，则部分Pb会在局部集中，形成大块的富Pb相，如图3中的黑色，蝴蝶状组织。如果焊锡经多次高温，且没有重新熔化，则会形成较多的蝴蝶状富Pb相，如图4，是BGA内部FLIPCHIP的焊点，在回流焊接中没有重熔，或降温过慢，形成了较多的蝴蝶斑纹（从图中的Sn、Pb比例来看焊点成分接近于共晶成分），焊点在经过老化处理，或者经过设备的正常服役环境，焊点的组织会在温度和应力的作用下长大，粗化形成类似的形态。

同时焊点中焊锡与焊盘或元器件引脚的金属间化合物（IMC）的厚度也直接受到焊接温度和时间的影响。众所周知，焊接中IMC的厚度与焊接的温度和时间成正比。因而可以从IMC的相对厚度来判定焊接的温度是否适合，高温时间是否得当。综合以上两条我们就可以根据焊点的金相图中分析得到焊接的温度、时间、焊接后的降温速率是否适合。反之，根据焊点的内部形态判断焊点质量，还指导焊接工艺参数设定：由于金属间化合物多为脆性相，焊点的失效位置多为焊点的金属间化合物处，因而金属间化合物的厚度直接影响焊点的质量和寿命。可以通过焊点的金属间化合物的厚度来指导焊接的温度以及时间确定，以保证焊点质量。

2、对工艺试样的补充分析和对工艺实验结果的确认：
下面三图是不同表面处理的PCB板的焊点分析照片。HASL的PCB焊盘与焊锡形成IMC厚度比OSP的要厚。原因在于在HASL的过程中Sn已经与Cu焊盘形成一定厚度的Cu6Sn5，而OSP板的Cu焊盘上只有一层有机保护膜。在相同的焊接条件下，焊接后HASL的单板焊点处的Cu6Sn5相对于OSP保护的Cu焊盘得到了**次的生长。HASL是我司应用的PCB表面处理方式，金相分析表明OSP和化学Ni/Au的处理方式与HASL在焊接后，焊锡与焊盘的结合紧密，均有一定厚度的IMC生成（见表1），所有三个分析的焊点均未发现明显的缺陷，其焊料组织也完全正常。因而从焊接质量的角度可以认定三者都可以与焊锡形成良好的连接。

3、金相技术在失效分析中的应用
在断定焊点失效后，金相图片中可以直接看到焊点处失效的位置，分析出失效的起因、初始位置，协助设计的改进，问题的解决。

a、华为电气铝基板焊接缺陷分析：
华为电气*初生产的铝基板的插针焊接后的强度不够，用手轻轻推动即会从焊接处断开。在改变焊接的温度和增加锡膏量后仍然改善不大。金相分析后的照片如图所示，焊点皆有较好的弯月面（fillet），表明焊点形状良好，但照片中显示几乎所有焊点均出现有大量空洞（void），主要存在与焊针与焊料界面及焊针与焊盘之间。经过对插针本身的镀层分析得知，插针的镀层成分和厚度与供应商提供的数据严重不符，而且从图中可以清洗的看到镀层中存在较多的空洞，镀层与集体之间的结合面有细微的裂缝和分离现象。所以改善插针的镀层质量才是提高焊接质量的关键。

b、焊点空洞分析：
下面两图中可见，焊点中原件附近聚集较大的空洞，从空洞的存在可以初步怀疑焊接的温度不够或者时间过长，导致锡膏中的焊剂残留物无法及时彻底的排出。但是对于同一焊点的焊盘处的金相照片可以看出界面的IMC已经生成，且厚度在1-2um之间，即焊接的峰值支温度和锡膏的熔化时间是合理的，从第三张照片看得知原件的端头镀层致密，与焊锡的结合良好，可以基本排除原件可焊性的问题（应该通过可焊性测试来确认问题），因此可以从焊接的预热部分和锡膏的质量找原因，看是否预热的时间或预热温度不够，锡膏的使用是否正确。

4、对于PCB板的分析：
对于PCB板金相分析的方法可以直观的得到许多板内各层的加工质量信息，如孔壁厚度是否适合，孔壁是否有缺损等，具体如图14所示。*近始终困扰我司的PCB板的质量问题就是爆孔，下面图中所示为其中一张爆孔分析的金相照片，可以清洗的看到PCB孔壁局部完全没有铜层连接，焊点内部对应于该位置有一个空洞。可以初步判定该处爆孔与孔壁缺损有关。

5、直观的分析各种元器件以及单板的镀层以及其他部分的厚度或尺寸
我司的Leica显微镜的配套软件中具有测量图形水平垂直尺寸的功能，下面图中为一种插针的镀层厚度测量。可以用于对镀层的定量分析方法之一。

6、可以分析元器件的内部缺陷问题：
作为器件分析的辅助手段，可以具体观察关注层面的具体缺陷的现象，协助查明器件的失效原因。
例如，在2000年公司的某单板的BGA焊接后测试始终存在一定比例的开路缺陷，在一系列的工艺改进和分析后，问题仍然存在，经过对BGA器件金相进行解剖分析，得到了失效的原因。
分析样品中包含未经装配的参考BGA样品2个，已经装配在板上但怀疑失效的样品2个，2个从板上拆下的失效样品。
所有样品包括未装配的参考样品内皆存在明显的球焊异常。实验过程中也发现样品在精细抛光前，铝层仍基本可见，但经过精细抛光后消失如图所示，该现象说明样品内的铝层与芯片的结合很弱。
这些信息尚不足以确定铝层异常原因，但可以推测或者铝层溅射工艺本身出现问题（如污染、真空度等）导致铝层结合不牢，或者在晶片储藏、封装过程中产生铝层腐蚀，导致铝层结合强度下降。但无论是那一种情况，其*终后果都是导致金丝球焊接本身的结合强度下降，从而产生较高的开路失效比例。

7、可以作为物品中心的物料的认证和物料的检验：
如，可以分析电容是否内部断裂等，下面图为内部存在裂纹的陶瓷电容，从中可以判定，该处的失效为器件的损坏，而非焊点失效。

8、借助电子显微镜设备可以分析得到所关注位置的成分。
如焊接该处中我们比较关注焊接镀层IMC厚度和成分，厚度可以直接通过金相照片测量，成分则要借助扫描电子显微镜的能谱分析仪对固定位置进行成分分析。下面两图分别为电阻端头与焊锡的结合面和IMC处的能谱分析结果。

金相分析的的弊端：
首先，金相分析作为有损分析，分析后的样品没有继续使用的价值；应用于电子装联的缺陷分析点一般比较微小，在金相样品的制备过程中如果，没有操作经验，很容易破坏失效现场，得不到真是的分析结果。因而，在进行金相分析之前应该首先应尽量用无损的检测方法找到问题的确切位置。
其次，金相样品的制备过程还包含一些具体的操作手法的问题，手法不当会扭曲分析样品的事实真相，比如，过高的研磨速度，或没有水的冷却，会使焊点的温度升高，使焊点内的组织粗化，导致对焊接条件的误判；研磨的方向不正确会使相邻不同金属间相互掩盖，混淆，使得无法准确观察到焊接界面形态和IMC厚度。因而，在应用金相分析的方法之前要确认问题的具体位置；在样品的制备过程中要请有经验的人指导。
总结：
金相分析的方法作为古带来材料分析方法在电子装联领域中可以有多方面的应用，通过金相分析可以反映焊接工艺参数，同时可以根据分析结果指导焊接工艺；在失效分析、PCB、来料的检验和分析、器件分析等多个方面有用武之地；应用SAM技术还可以得到不同位置的材料组成成分和比例。但在使用金相分析的方法之前应尽量作好无损的检测，确保金相分析的准确，避免有效信息的丢失。