摘  要   本文简单介绍了扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）的分析原理及用途，并结合实际案例讲解了SEM&EDS分析技术在PCB失效分析中的作用。

　　关键词   失效分析；扫描电镜；能谱仪

　　中图分类号：

　　Failure analysis of SEM&EDS in PCB application

　　WANG Bin XU Yong Zhang  Li Zhou Wen

　　Abstract   This paper simply introduces the scanning electron microscopy ( SEM ) and energy dispersive spectrometer ( EDS ) analysis principle and application, And combining with the actual examples to explain the SEM&EDS analysis technology in PCB failure analysis and application.

　　Key words    Failure analysis；SEM ；EDS

　　0   前言

　　随着PCB向高密度及精细的方向发展以及无铅无卤的环保要求，同时工艺制程越来越复杂，在生产和SMT过程中会发生诸多问题如：漏镀、渗镀、上锡不良等，要解决这些问题利用一些简单的设备很难找出其真实的原因，而扫描电镜及能谱仪可以通过其对微观以及表面的元素分析可以为这些难以解决问题提供可靠的分析数据，方便原因的查找[1]。

　　1       SEM&EDS的简介

　　SEM&EDS是用聚焦的很细的电子束照射被检测的试样表面，电子与试样的相互作用，会产生反映试样微区形貌、结构及成分的各种信息，所以SEM&EDS分析技术可以很好的应用于PCB问题分析[2]。

　　扫描电子显微镜(SEM)是一种大型的电子显微成像系统，其放大倍数可从25倍放大至30万倍，甚至更高，主要用于直接观察固体表面的形貌。

　　工作原理是利用阴极发射的电子束经阳极加速，由磁透镜聚焦后形成一束直径为几十至几千埃的电子束流，在扫描线圈的偏转作用下，电子束以一定时间和空间顺序在试样表面作逐点式扫描运动，这束高能电子束轰击到样品表面上会激发出多种信息，经过收集放大就能从显示屏上得到各种相应的图形[2]。

　　能谱仪(EDS)主要是用来测试样品表面元素及其元素分布情况。通常配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜的使用。

　　工作原理是各种元素具有自己的X射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能△E，能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。

　　2  SEM&EDS的实际应用

　　2.1   生产过程中的失效分析

　　我司工程师跟进一客户的化镍金生产线，发现某批次化镍金板有少量漏镀现象，为解决此种不良，达到品质要求，我司工程师做了一系列调整（增加活化浓度、延长活化时间、提高镍缸浓度等），结果还是存在一定比例漏镀现象，对此，我司工程师取现场漏镀板到我司检测中心做SEM&EDS测试。

　　SEM&EDS分析报告如下表及图，从分析报告的图1 SEM图上可以看到，需化镍板铜面有一层脏污粘结在铜面其上；同时对此脏污进行EDS分析，分析结果显示：漏镀点表面含0.46％的S（硫），0.33％的Cl（氯），另外C(碳)、O(氧)含量分别占44.27％及10.12%，由此我们可以知道为什么会出现漏镀的现象，因为S是钯的毒化剂，有硫的存在会影响活化钯与铜面的置换反应，致使铜面没有作为化学镍起始反应之催化晶核，Cl是化学镍槽毒化剂,氯的存在会影响化学镍缸的反应。

　　对于上述的测试结果，我司工程师做了相应的的原因查找，分析那个工序可能带来这两种不利的元素，经过排查结果发现在防焊后烤板，客户的烤箱通风不是很好，油墨中的S和Cl在高温高湿的环境下随蒸气附着在铜面，变成硫化铜和氯化铜，化镍前磨刷处理不净造成漏镀[3]。

　　针对此问题可以通过以下几点来改善：（1）、改善前工序工艺流程，特别是防焊和防焊后的烤板，保证烤箱通风良好；（2）、改善沉镍前板存放环境，磨好的板存放时间不超过2小时，保证化镍制程前铜面无氧化现象。

　　图1 漏镀位置SEM

　　2.2 SMT过程中出现的失效分析

　　在SMT过程中经常会见到化镍金板上锡不良的现象，如图2的情况。针对此种现象我们取样利用SEM&EDS对上锡不良处进行了分析，分析结果如下SEM图3、图4、图5、表2，从图3我们可以看出金面已经严重的被刮花，同时从图4我们可以看到镍腐蚀比较严重，图中显示在一张放大5000倍的图片中我们可以看到腐蚀点有6个之多，表明镍面受到严重的腐蚀，为了进一步的验证镍面是否已经存在严重的腐蚀，我们通过处理在不伤害镍面的情况下，把镍上面的金层剥离掉，这样可以更直观的看到镍层表面结果，由图5我们明显的看到镍面晶界处有腐蚀的空洞，且发黑。由此我们可以得出此次出现上锡不良的原因为镍面的严重腐蚀，这种腐蚀来自于金缸药水，其本质的原因为化镍层，从图5 上我们可以看出表面存在有黑墨，对于此种黑膜我们亦进行了EDS分析,从表2中可以看出，黑膜的成份中有C、O、P、Ni的存在，由此我们可以分析出此种黑膜应该为氧化镍（NixOy），根本原因为化金过程中在镍面进行的置换反应时，由于镍面的结构存在有空隙，沉积的金层下面镍面会继续有贾凡尼效应，镍面会不断的进行氧化老化，从而金面下面会有未清洗走的我们俗称为“镍锈”的物质。

　　图 2上锡不良                      图 3 金面SEM图

　　3.结论

　　本文介绍了SEM&EDS的分析原理，同时也结合实际的案例来说明SEM&EDS在PCB在生产与应用过程中对于失效的问题的分析的用处。通过这些案例分析，我们发现引起PCB发生失效的原因有很多，包括工艺不良、生产管控不到位、受外来污染等。PCB出现品质问题时必须及时用合适的方法来找出问题的根源，并制定好纠正措施和预防措施。

　　参考文献;

　　[1].翟青霞等.解析SEM&EDS分析原理及应用[J].印制电路信息,2012,5.

　　[2].罗道军等.PCB失效分析技术与典型案例[J]. 印制电路资讯,2009/7月第四期.

　　[3].李学明等，印制电路技术[M].第五版.盈拓科技咨询服务有限公司.456-470.