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 引言

金相切片是用特制液態(tài)樹脂將樣品包裹固封，然后進(jìn)行研磨拋光的一種制樣方法，檢測(cè)流程包括取樣、固封、研磨、拋光，最后提供形貌照片、開裂分層空洞大小判斷及尺寸等數(shù)據(jù)，是一種觀察樣品截面組織結(jié)構(gòu)情況的最常用的制樣手段。經(jīng)過金相制樣，可以對(duì)焊點(diǎn)指定位置進(jìn)行微觀觀察，是檢驗(yàn)電子元器件表面貼裝焊點(diǎn)質(zhì)量的重要手段之一。配合掃描電鏡顯微觀察，可以用來檢測(cè)包括微裂紋、空洞、虛焊等在內(nèi)的，無法通過X射線檢查等非破壞性手段來確定的缺陷。金相試樣的制備是微觀形貌觀察的基礎(chǔ)，切片的質(zhì)量直接影響觀察形貌效果：劃痕過多會(huì)影響裂紋的識(shí)別與測(cè)量；雜質(zhì)嵌入會(huì)引入空洞等缺陷；制樣中造成的合金組織破碎漂移，造成合金層厚度測(cè)量偏差，影響焊點(diǎn)質(zhì)量評(píng)估。因此規(guī)范的制樣流程，適當(dāng)?shù)闹茦蛹记墒种匾?/span>

PCBA樣品金相切片主要步驟有取樣、鑲嵌、研磨、拋光。與普通金屬樣品相比，PCBA切片樣品具有體積小，成分復(fù)雜，磨拋位置要求精準(zhǔn)的特點(diǎn)，對(duì)手工制樣的經(jīng)驗(yàn)和技巧有更高的要求，要對(duì)制樣過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，不能人為引入缺陷，造成焊點(diǎn)變化，要兼顧樣品制備的速度與質(zhì)量。

1 取樣

取樣指的是先將所要觀察的部位用切割機(jī)取下，便于鑲嵌。PCBA焊點(diǎn)體積小，密度大，結(jié)構(gòu)精細(xì)，取樣時(shí)需使用精密切割機(jī)。切割時(shí)刀片太過靠近目標(biāo)面，有可能會(huì)對(duì)焊點(diǎn)造成損害，引入裂紋等缺陷；距離觀察面太遠(yuǎn)則會(huì)使后續(xù)磨拋工序加長(zhǎng)，降低效率，所以取樣位置與目標(biāo)面距離要適中，以1 cm左右為宜，切割過程中注意冷卻，切割面盡量與待觀察面平行。

2 鑲嵌

為保護(hù)樣品邊緣，防止在制備過程中造成缺陷，微小焊點(diǎn)切片及電子元器件等PCBA樣品要先進(jìn)行鑲嵌，將待觀察樣塊鑲嵌在樹脂中間。熱鑲嵌材料在鑲嵌過程中需要加壓或者加熱，引入能量。溫度和壓力的變化有可能造成敏感的微小器件和焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變化和損傷，所以PCBA樣品需選用低熱量散發(fā)的冷鑲嵌材料，環(huán)氧樹脂與試樣結(jié)合緊，收縮較低，易于填充裂紋和空洞，是適宜的鑲嵌材料。鑲嵌前將切割下來的樣品洗凈、吹干，采用真空澆注設(shè)備進(jìn)行鑲嵌。對(duì)于無法平穩(wěn)放置的較小試樣，使用夾具固定在模具中進(jìn)行澆注，使待觀察面盡量與樹脂面平行。

3 磨拋

磨拋的目的是獲得一個(gè)平整光滑的觀察面，一般流程為粗砂紙研磨→細(xì)砂紙研磨→粗拋光液拋光→細(xì)拋光。為保證樣品質(zhì)量、提高效率，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)制樣流程進(jìn)行了調(diào)整。

選用P180，P400，P1200，P2400，P4000一組的SiC砂紙，按砂紙標(biāo)號(hào)從小到大依次磨拋，去除劃痕。P180粗砂紙磨平鑲嵌試樣，去除切割造成的表面損傷；P400砂紙研磨到目標(biāo)面邊緣；P1200砂紙研磨至目標(biāo)面后依次使用P2400和P4000細(xì)砂紙去除劃痕，最后用0.05μm氧化鋁懸浮液進(jìn)行拋光獲得光亮潔凈表面。每一道磨拋工序后，手持試樣旋轉(zhuǎn)90°，去除上一步驟留下的劃痕。采用水磨方法使試樣制備中熱量最少，水流及時(shí)帶走脫落的磨削顆粒，防止磨光顆粒嵌入試樣。在磨拋過程中經(jīng)驗(yàn)不足操作不當(dāng)可能出現(xiàn)一些問題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，提出解決方法。

3.1磨料嵌入

金相制樣過程中有時(shí)會(huì)發(fā)生磨料嵌入，即較硬的顆粒嵌入較軟的材料裂紋或縫隙中。因?yàn)镻CBA焊接中使用的焊料較軟，金剛石拋光液中的小顆粒容易嵌入到焊料中（如圖1）。因此采用細(xì)的SiC砂紙?zhí)娲饎偸瘨伖庖哼M(jìn)行粗拋光，同時(shí)，在細(xì)拋光中使用氧化鋁懸浮液，有效去除之前步驟中有可能出現(xiàn)的嵌入。

圖1 拋光液中的金剛石顆粒嵌入焊料

3.2彗星拖尾

彗星拖尾現(xiàn)象（如圖2）。彗星拖尾指的是樣品上出現(xiàn)的方向統(tǒng)一，發(fā)散狀的單向細(xì)溝槽。其產(chǎn)生與材料本身有關(guān)[1]，硬質(zhì)顆粒與基體間結(jié)合力較差或者基體存在的孔洞都可能導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)。使用硬質(zhì)無絨布，降低制樣過程中施加的壓力，縮短制備時(shí)間可以改善此問題。在制樣過程中還需注意更換磨拋方向，避免單向研磨拋光。

 圖2 彗星拖尾現(xiàn)象

3.3 合金層漂移

制樣過程中載荷過大、拋光機(jī)轉(zhuǎn)速過快或潤(rùn)滑不足都會(huì)導(dǎo)致較軟金屬材料的塑性流變。合金層脫離原位，漂移至焊盤位置，影響合金層的形貌觀察和測(cè)量（如圖3），無法正確測(cè)量合金層厚度，影響焊點(diǎn)可靠性判斷。合金層漂移是由于合金層較軟，制備過程中發(fā)生塑性變形，被切削下來的部分附著在樣品表面所致?？梢圆捎眉涌炷佫D(zhuǎn)速，使用短絨拋光布等方法解決問題。 

圖3出現(xiàn)形變的合金層

4 典型缺陷觀察與判定

4.1 器件損傷

電容發(fā)生斷路，外觀檢查未見損傷，經(jīng)過X射線檢查，電容右側(cè)見一裂紋，不能確定位置及深度。進(jìn)行金相切片操作，清楚見得電容內(nèi)部裂紋，位于陶瓷體靠近端電極的左側(cè)，裂紋在端電極內(nèi)，貫穿陶瓷體，與內(nèi)電極夾角接近90°。由位置形貌特點(diǎn)可以判斷，裂紋形成原因?yàn)闇囟葲_擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力[2]。有裂紋的電容器，在使用一段時(shí)間后，水汽或離子進(jìn)入裂紋內(nèi)部，致使電容的絕緣電阻降低而導(dǎo)致電容失效。熱應(yīng)力裂紋主要由于器件在焊接特別是波峰焊時(shí)承受溫度沖擊所致，不當(dāng)返修也是導(dǎo)致溫度沖擊裂紋的重要原因。

以下幾種情況均可能使電容體產(chǎn)生大的溫度梯度，造成熱應(yīng)力開裂：① 對(duì)電容的手工焊接，兩端非平衡焊接或兩端焊點(diǎn)散熱特性差別明顯；② 對(duì)已焊接的電容進(jìn)行烙鐵解焊返工；③ 對(duì)已裝配電容一端相鄰焊點(diǎn)進(jìn)行手工焊接；④ 不當(dāng)?shù)墓に嚋囟惹€；⑤ 整體加熱后即放在金屬板上冷卻，等等[3]。

圖4故障電容

4.2 焊接缺陷

影響焊接可靠性因素很多，器件焊端和焊料的成分、焊料的用量、溫度曲線（主要參數(shù)為峰值溫度和液相以上停留時(shí)間）和焊點(diǎn)服役條件等都會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量造成影響[4]。

空洞是常見的焊接缺陷。根據(jù)IPC-7095C，空洞面積大于35%和直徑大于50%是工藝控制的極限值。一般來說若空洞面積總和超過焊球面積的25%即為不合格，需要返修。采用數(shù)字圖像處理的方法，計(jì)算空洞所占面積比例，判斷焊點(diǎn)是否合格。采用數(shù)字圖像處理的方法，計(jì)算空洞面積比，數(shù)據(jù)更加精確。

我們自主編寫了圖像識(shí)別軟件，將拍照所得的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，根據(jù)生成的灰度直方圖對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割(二值化)，利用形態(tài)學(xué)中的開運(yùn)算，閉運(yùn)算操作得到包含ROI（感興趣區(qū)域）的區(qū)域，然后再利用面積，圓度等特征選擇出ROI。得到ROI后計(jì)算出其像素值再與總的像素值相比，即得到空洞率。

圖5 數(shù)字圖像處理計(jì)算空洞率