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關(guān)鍵詞：金相技術(shù)、失效分析、工藝參數(shù)、質(zhì)量檢驗(yàn)

金相技術(shù)簡(jiǎn)介：

金相技術(shù)是有損檢測(cè)方法的一種，金相技術(shù)作為一種比較古老的技術(shù)多用于對(duì)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(gè)截面的信息，通過分析截面的微觀形貌，得到材料內(nèi)部的信息，包括材料形態(tài)、結(jié)構(gòu)，材料內(nèi)部的不同成分的組織形態(tài)、層次、結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是否有裂紋、空洞、夾雜等缺陷，不同材料之間的結(jié)合情況等等。通過材料內(nèi)部信息的分析，可以根據(jù)材料的成分和組織形態(tài)得出材料的基本性能，如力學(xué)性能、機(jī)械性能等。通過分析材料內(nèi)部的缺陷現(xiàn)象，協(xié)助分析材料的加工工藝，從而達(dá)到減少缺陷、提高質(zhì)量的目的。

金相試樣的觀察面要求是平整光滑的平面，因而對(duì)制備的設(shè)備有一定要求。目前我司的金相試樣制備設(shè)備是德國(guó)BUEHLER公司的設(shè)備，主要包括金剛石切割鋸床、真空器、磨盤、供料器，分別承擔(dān)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(dòng)供給拋光液的任務(wù)。經(jīng)過試樣的制備后要針對(duì)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(tài)結(jié)構(gòu)的同時(shí)得到試樣材料的相關(guān)信息。

試樣制備后根據(jù)觀察的根據(jù)不同，得到的信息也有區(qū)別。普通的光學(xué)顯微鏡的zui大放大倍數(shù)為1000－2000倍，掃描電子顯微鏡（SEM）的放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)萬倍，可以觀察到更加細(xì)微的組織形態(tài)，同時(shí)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(xì)介紹金相分析技術(shù)在電子裝聯(lián)中的具體應(yīng)用。

                                     

金相分析技術(shù)在電阻裝聯(lián)工藝裝聯(lián)工藝中的應(yīng)用：

金相分的方法可以直觀的分析材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部的微觀形貌信息，工藝條件和參數(shù)直接影響焊點(diǎn)的形貌的特性，材料的特性與材料的形貌有直接的，因而可以通過材料的形貌分析得到并指導(dǎo)工藝參數(shù)設(shè)置。

不同的焊接溫度會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的組織形態(tài)產(chǎn)生影響：圖2為標(biāo)準(zhǔn)的SnPb共晶組織形態(tài)，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(shí)間會(huì)對(duì)SnPb組織的形態(tài)產(chǎn)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(xì)密。如果降溫的速率緩慢，則部分Pb會(huì)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(jīng)多次高溫，且沒有重新熔化，則會(huì)形成較多的蝴蝶狀富Pb相，如圖4，是BGA內(nèi)部FLIPCHIP的焊點(diǎn)，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(diǎn)成分接近于共晶成分），焊點(diǎn)在經(jīng)過老化處理，或者經(jīng)過設(shè)備的正常服役環(huán)境，焊點(diǎn)的組織會(huì)在溫度和應(yīng)力的作用下長(zhǎng)大，粗化形成類似的形態(tài)。

    

   同時(shí)焊點(diǎn)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(shí)間的影響。*，焊接中IMC的厚度與焊接的溫度和時(shí)間成正比。因而可以從IMC的相對(duì)厚度來判定焊接的溫度是否適合，高溫時(shí)間是否得當(dāng)。綜合以上兩條我們就可以根據(jù)焊點(diǎn)的金相圖中分析得到焊接的溫度、時(shí)間、焊接后的降溫速率是否適合。反之，根據(jù)焊點(diǎn)的內(nèi)部形態(tài)判斷焊點(diǎn)質(zhì)量，還指導(dǎo)焊接工藝參數(shù)設(shè)定：由于金屬間化合物多為脆性相，焊點(diǎn)的失效位置多為焊點(diǎn)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(diǎn)的質(zhì)量和壽命。可以通過焊點(diǎn)的金屬間化合物的厚度來指導(dǎo)焊接的溫度以及時(shí)間確定，以保證焊點(diǎn)質(zhì)量。

下面三圖是不同表面處理的PCB板的焊點(diǎn)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(jīng)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(jī)保護(hù)膜。在相同的焊接條件下，焊接后HASL的單板焊點(diǎn)處的Cu6Sn5相對(duì)于OSP保護(hù)的Cu焊盤得到了第二次的生長(zhǎng)。HASL是我司應(yīng)用的PCB表面處理方式，金相分析表明OSP和化學(xué)Ni/Au的處理方式與HASL在焊接后，焊錫與焊盤的結(jié)合緊密，均有一定厚度的IMC生成（見表1），所有三個(gè)分析的焊點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，其焊料組織也*正常。因而從焊接質(zhì)量的角度可以認(rèn)定三者都可以與焊錫形成良好的連接。

 

在斷定焊點(diǎn)失效后，金相圖片中可以直接看到焊點(diǎn)處失效的位置，分析出失效的起因、初始位置，協(xié)助設(shè)計(jì)的改進(jìn)，問題的解決。

華為電氣zui初生產(chǎn)的鋁基板的插針焊接后的強(qiáng)度不夠，用手輕輕推動(dòng)即會(huì)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(diǎn)皆有較好的彎月面（fillet），表明焊點(diǎn)形狀良好，但照片中顯示幾乎所有焊點(diǎn)均出現(xiàn)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(jīng)過對(duì)插針本身的鍍層分析得知，插針的鍍層成分和厚度與供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)嚴(yán)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(jié)合面有細(xì)微的裂縫和分離現(xiàn)象。所以改善插針的鍍層質(zhì)量才是提高焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

    

   b、焊點(diǎn)空洞分析：

下面兩圖中可見，焊點(diǎn)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(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致錫膏中的焊劑殘留物無法及時(shí)*的排出。但是對(duì)于同一焊點(diǎn)的焊盤處的金相照片可以看出界面的IMC已經(jīng)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(shí)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(jié)合良好，可以基本排除原件可焊性的問題（應(yīng)該通過可焊性測(cè)試來確認(rèn)問題），因此可以從焊接的預(yù)熱部分和錫膏的質(zhì)量找原因，看是否預(yù)熱的時(shí)間或預(yù)熱溫度不夠，錫膏的使用是否正確。

對(duì)于PCB板金相分析的方法可以直觀的得到許多板內(nèi)各層的加工質(zhì)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。zui近始終困擾我司的PCB板的質(zhì)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*沒有銅層連接，焊點(diǎn)內(nèi)部對(duì)應(yīng)于該位置有一個(gè)空洞?？梢猿醪脚卸ㄔ撎幈着c孔壁缺損有關(guān)。

 

我司的Leica顯微鏡的配套軟件中具有測(cè)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(cè)量?？梢杂糜趯?duì)鍍層的定量分析方法之一。

 

作為器件分析的輔助手段，可以具體觀察關(guān)注層面的具體缺陷的現(xiàn)象，協(xié)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(cè)試始終存在一定比例的開路缺陷，在一系列的工藝改進(jìn)和分析后，問題仍然存在，經(jīng)過對(duì)BGA器件金相進(jìn)行解剖分析，得到了失效的原因。

分析樣品中包含未經(jīng)裝配的參考BGA樣品2個(gè)，已經(jīng)裝配在板上但懷疑失效的樣品2個(gè)，2個(gè)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(nèi)皆存在明顯的球焊異常。實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)樣品在精細(xì)拋光前，鋁層仍基本可見，但經(jīng)過精細(xì)拋光后消失如圖所示，該現(xiàn)象說明樣品內(nèi)的鋁層與芯片的結(jié)合很弱。

這些信息尚不足以確定鋁層異常原因，但可以推測(cè)或者鋁層濺射工藝本身出現(xiàn)問題（如污染、真空度等）導(dǎo)致鋁層結(jié)合不牢，或者在晶片儲(chǔ)藏、封裝過程中產(chǎn)生鋁層腐蝕，導(dǎo)致鋁層結(jié)合強(qiáng)度下降。但無論是那一種情況，其zui終后果都是導(dǎo)致金絲球焊接本身的結(jié)合強(qiáng)度下降，從而產(chǎn)生較高的開路失效比例。

 

如，可以分析電容是否內(nèi)部斷裂等，下面圖為內(nèi)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(diǎn)失效。

 

如焊接該處中我們比較關(guān)注焊接鍍層IMC厚度和成分，厚度可以直接通過金相照片測(cè)量，成分則要借助掃描電子顯微鏡的能譜分析儀對(duì)固定位置進(jìn)行成分分析。下面兩圖分別為電阻端頭與焊錫的結(jié)合面和IMC處的能譜分析結(jié)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(xù)使用的價(jià)值；應(yīng)用于電子裝聯(lián)的缺陷分析點(diǎn)一般比較微小，在金相樣品的制備過程中如果，沒有操作經(jīng)驗(yàn)，很容易破壞失效現(xiàn)場(chǎng)，得不到真是的分析結(jié)果。因而，在進(jìn)行金相分析之前應(yīng)該首先應(yīng)盡量用無損的檢測(cè)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(dāng)會(huì)扭曲分析樣品的事實(shí)真相，比如，過高的研磨速度，或沒有水的冷卻，會(huì)使焊點(diǎn)的溫度升高，使焊點(diǎn)內(nèi)的組織粗化，導(dǎo)致對(duì)焊接條件的誤判；研磨的方向不正確會(huì)使相鄰不同金屬間相互掩蓋，混淆，使得無法準(zhǔn)確觀察到焊接界面形態(tài)和IMC厚度。因而，在應(yīng)用金相分析的方法之前要確認(rèn)問題的具體位置；在樣品的制備過程中要請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的人指導(dǎo)。

總結(jié)：

金相分析的方法作為古帶來材料分析方法在電子裝聯(lián)領(lǐng)域中可以有多方面的應(yīng)用，通過金相分析可以反映焊接工藝參數(shù)，同時(shí)可以根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)焊接工藝；在失效分析、PCB、來料的檢驗(yàn)和分析、器件分析等多個(gè)方面有用武之地；應(yīng)用SAM技術(shù)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(yīng)盡量作好無損的檢測(cè)，確保金相分析的準(zhǔn)確，避免有效信息的丟失。