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扫描电镜在PCB失效分析中的应用（一）

天耀科技

2020/12/15 16:27

阅读：263

PCB（Printed Circuit Board），又称印刷电路板，是极其重要的电子部件，即是各类元器件的载体，又是电路信号传输的枢纽。

随着电子产品小型化的发展，以及无铅无卤化的环保要求，PCB的精度和密度也随之提高，相应的制造难度也大大增加，这使得PCB在制造和使用过程中，产生的问题也越来越多。

PCB成品实物

PCB成品结构示意

PCB由板材（覆铜板）、连接导线、焊盘、过孔（连接各元器件引脚的金属孔）、阻焊层等结构组成。其中，覆铜板是用增强材料（主要是玻璃纤维布），浸以树脂胶黏剂，通过烘干、裁剪、叠合成坯料，然后覆上铜箔。

按照板层结构，PCB电路板可分为单层板（只有一面覆铜）、双层板（双面覆铜）、多层板（包含多个层面的电路板，层与层之间的连接通过涂覆Cu的过孔来实现）。

按照基板材料可分为刚性基板（Rigid PCB：RPCB）和柔（挠）性基板（Flexible PCB：FPCB）

在PCB上游覆铜板和下游成品的制造过程中，通常会出现分层、爆板、铜箔腐蚀、虚焊、污染等问题，通过扫描电镜可对PCB在整个的制造过程中，进行质量可靠性分析和失效分析。

1.覆铜板铜箔表面处理质量评价

覆铜板结构

PCB使用的电解铜箔，需要进行3步表面电化学处理：① 粗化；② 封闭；③ 防氧化处理

粗化是将颗粒状的铜沉积在铜箔表面，在进行压板后，粗糙的铜表面由于“锚效应”可以提高自身的抗剥离强度。铜箔表面晶粒的尺寸和粗糙度，受工艺条件影响很大，使用SEM可对铜粒尺寸进行表征，配合以粗糙度的检测，可用来指导粗化工艺的电流密度。

2.成品板内层短路分析

在粗化工艺中，若电流密度过大，铜箔尖端放电形成树枝状镀层，导致铜箔表面铜镀层结合不牢而易脱落。在铜箔压制形成线路板时，铜粉脱落后若夹杂在基材中，容易造成短路现象。另外，PCB在压板等制备过程中，工程上使用的金属载具，一旦发生破损，金属碎屑容易混进PCB中，同样容易造成短路不良。使用SEM+EDS，在电镜下对此位置进行元素分析，根据分析结果来判断杂物的来源，最后对杂物来源进行控制，从而降低内短的报废率。

异物溯源工作有一个很重要的前提，就是企业内部需要事前把生产线上所有可能产生杂物、金属碎的物品做元素分析并建立数据库，这样在对造成短路的杂物进行元素分析后就可以把所得到的元素成分与数据库内的物质成分一一对应，即可快速确定杂物来源，后续的改善也相对更加容易。

3.干湿膜附着力评价

PCB的制造过程，有与芯片相似的过程，需要进行曝光→显影→刻蚀。在PCB工艺中，使用图形转移的关键材料是菲林（film），俗称贴膜工艺，分为干膜和湿膜。

PCB制备过程图解

曝光（PCB内层图形转移）

干湿膜在铜箔表面附着程度的好坏直接影响了刻蚀后线路的质量，若显影后干湿膜边缘存在起翘，则蚀刻后会出现缺口等缺陷，而利用SEM可以对贴膜工艺的效果和干湿膜性能进行有效的评定。

4.OSP膜厚度和铜箔Ni沉金腐蚀监控

PCB电路板上的铜主要是紫铜，铜焊点在空气中容易被氧化，这样会造成导电性变差，也就是吃锡不良或者接触不良，降低了电路板的性能，那么就需要对铜焊点进行表面处理。沉金和OSP是较为常用的两种防氧化工艺。

沉金就是采用化学沉积的方法,通过化学氧化还原反应在线路板表面产生一层金属镀层，通常使用Ni沉金。好处是颜色明亮、增加可焊性、抗氧化等。而沉金过程中，一旦化学金药水使用不当，容易发生Ni腐蚀，会对可焊性产生致命的影响，但它却是常规光学显微镜下无法直接观察到的，不过利用电镜可以轻松观察到且能定量判断其严重程度。

晶格致密

晶格间腐蚀

晶粒表面腐蚀

OSP，即有机保焊膜，又称护铜剂。就是在洁净的裸铜表面上，以化学的方法长出一层有机膜。这层膜具有防氧化，耐热冲击，耐湿性，用以保护铜表面于常态环境中不再继续生锈。PCB制造过程中，板材需要数次回流焊，对OSP膜的冲击较大，使用SEM可监控OSP膜的变化，用以检讨不同类型的药水或工艺处理条件，其回流后的焊接能力有什么变化。