引言

金相切片是用特制液態樹脂將樣品包裹固封，然后進行研磨拋光的一種制樣方法，檢測流程包括取樣、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據，是一種觀察樣品截面組織結構情況的最常用的制樣手段。經過金相制樣，可以對焊點指定位置進行微觀觀察，是檢驗電子元器件表面貼裝焊點質量的重要手段之一。配合掃描電鏡顯微觀察，可以用來檢測包括微裂紋、空洞、虛焊等在內的，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，切片的質量直接影響觀察形貌效果：劃痕過多會影響裂紋的識別與測量；雜質嵌入會引入空洞等缺陷；制樣中造成的合金組織破碎漂移，造成合金層厚度測量偏差，影響焊點質量評估。因此規范的制樣流程，適當的制樣技巧十分重要。

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，成分復雜，磨拋位置要求精準的特點，對手工制樣的經驗和技巧有更高的要求，要對制樣過程進行適當的調整，不能人為引入缺陷，造成焊點變化，要兼顧樣品制備的速度與質量。

1 取樣

取樣指的是先將所要觀察的部位用切割機取下，便于鑲嵌。PCBA焊點體積小，密度大，結構精細，取樣時需使用精密切割機。切割時刀片太過靠近目標面，有可能會對焊點造成損害，引入裂紋等缺陷；距離觀察面太遠則會使后續磨拋工序加長，降低效率，所以取樣位置與目標面距離要適中，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

為保護樣品邊緣，防止在制備過程中造成缺陷，微小焊點切片及電子元器件等PCBA樣品要先進行鑲嵌，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的結構變化和損傷，所以PCBA樣品需選用低熱量散發的冷鑲嵌材料，環氧樹脂與試樣結合緊，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，采用真空澆注設備進行鑲嵌。對于無法平穩放置的較小試樣，使用夾具固定在模具中進行澆注，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平整光滑的觀察面，一般流程為粗砂紙研磨→細砂紙研磨→粗拋光液拋光→細拋光。為保證樣品質量、提高效率，經過多次實驗，對制樣流程進行了調整。

選用P180，P400，P1200，P2400，P4000一組的SiC砂紙，按砂紙標號從小到大依次磨拋，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砂紙研磨到目標面邊緣；P1200砂紙研磨至目標面后依次使用P2400和P4000細砂紙去除劃痕，最后用0.05μm氧化鋁懸浮液進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。在磨拋過程中經驗不足操作不當可能出現一些問題，根據經驗對可能出現的問題進行分析，提出解決方法。

3.1磨料嵌入

金相制樣過程中有時會發生磨料嵌入，即較硬的顆粒嵌入較軟的材料裂紋或縫隙中。因為PCBA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）。因此采用細的SiC砂紙替代金剛石拋光液進行粗拋光，同時，在細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

彗星拖尾現象（如圖2）。彗星拖尾指的是樣品上出現的方向統一，發散狀的單向細溝槽。其產生與材料本身有關[1]，硬質顆粒與基體間結合力較差或者基體存在的孔洞都可能導致這種現象出現。使用硬質無絨布，降低制樣過程中施加的壓力，縮短制備時間可以改善此問題。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 彗星拖尾現象

3.3 合金層漂移

制樣過程中載荷過大、拋光機轉速過快或潤滑不足都會導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量（如圖3），無法正確測量合金層厚度，影響焊點可靠性判斷。合金層漂移是由于合金層較軟，制備過程中發生塑性變形，被切削下來的部分附著在樣品表面所致。可以采用加快磨拋轉速，使用短絨拋光布等方法解決問題。 

圖3出現形變的合金層

4 典型缺陷觀察與判定

4.1 器件損傷

電容發生斷路，外觀檢查未見損傷，經過X射線檢查，電容右側見一裂紋，不能確定位置及深度。進行金相切片操作，清楚見得電容內部裂紋，位于陶瓷體靠近端電極的左側，裂紋在端電極內，貫穿陶瓷體，與內電極夾角接近90°。由位置形貌特點可以判斷，裂紋形成原因為溫度沖擊產生的熱應力[2]。有裂紋的電容器，在使用一段時間后，水汽或離子進入裂紋內部，致使電容的絕緣電阻降低而導致電容失效。熱應力裂紋主要由于器件在焊接特別是波峰焊時承受溫度沖擊所致，不當返修也是導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生大的溫度梯度，造成熱應力開裂：① 對電容的手工焊接，兩端非平衡焊接或兩端焊點散熱特性差別明顯；② 對已焊接的電容進行烙鐵解焊返工；③ 對已裝配電容一端相鄰焊點進行手工焊接；④ 不當的工藝溫度曲線；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（主要參數為峰值溫度和液相以上停留時間）和焊點服役條件等都會對焊接質量造成影響[4]。

空洞是常見的焊接缺陷。根據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。采用數字圖像處理的方法，計算空洞所占面積比例，判斷焊點是否合格。采用數字圖像處理的方法，計算空洞面積比，數據更加精確。

我們自主編寫了圖像識別軟件，將拍照所得的圖像轉換為灰度圖，根據生成的灰度直方圖對圖像進行閾值分割(二值化)，利用形態學中的開運算，閉運算操作得到包含ROI（感興趣區域）的區域，然后再利用面積，圓度等特征選擇出ROI。得到ROI后計算出其像素值再與總的像素值相比，即得到空洞率。

圖5 數字圖像處理計算空洞率