基于離子研磨技術(shù)的覆銅板結(jié)構(gòu)觀察研究

朱泳名 葛 鷹

（廣東生益科技股份有效公司 國(guó)家電子電路基材工程技術(shù)研究中心， 廣東 東莞 523808）

1 前言

在覆銅板的生產(chǎn)質(zhì)量控制、工藝流程改進(jìn)、可加工性及可靠性等各方面都需要通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察來(lái)進(jìn)行分析，對(duì)覆銅板進(jìn)行切片觀察是進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察的最主要途徑之一。對(duì)于一般的內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察，使用傳統(tǒng)的機(jī)械研磨即可以達(dá)到需要的分析效果；但是對(duì)于某些精度要求較高或是機(jī)械研磨外部應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生影響的情況下，使用高精度、無(wú)應(yīng)力的研磨 - 離子研磨就很有必要。現(xiàn)對(duì)離子研磨應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合具體的實(shí)例來(lái)說(shuō)明離子研磨技術(shù)對(duì)高精度的觀察分析的使用價(jià)值。

2 傳統(tǒng)切片分析狀況

傳統(tǒng)的切片分析方法使用的是機(jī)械應(yīng)力，配合研磨拋光材料來(lái)對(duì)覆銅板樣品進(jìn)行一個(gè)平面處理，最終使得樣品達(dá)到預(yù)期的觀察效果。對(duì)于一般的分析來(lái)說(shuō)，切片分析是一個(gè)快速并且有效的方法，它可以較好的表現(xiàn)出覆銅板內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一般信息；但是對(duì)于精度要求較高的結(jié)構(gòu)分析，例如細(xì)微失效缺陷分析；或是對(duì)處理應(yīng)力有較高要求的缺陷分析，例如樹脂與玻纖布的結(jié)合、銅箔厚度的仲裁測(cè)量等；這樣的情況下傳統(tǒng)的機(jī)械研磨就無(wú)法再達(dá)到預(yù)期的觀察效果。

3 離子研磨原理簡(jiǎn)介

離子研磨實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，首先通過(guò)一個(gè)高壓電極來(lái)對(duì)氬氣進(jìn)行電離，從而形成氬離子；繼而再通過(guò)一個(gè)高壓電場(chǎng)來(lái)對(duì)氬離子實(shí)施加速，經(jīng)過(guò)帶有偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的離子槍頭，使其形成離子束對(duì)需要研磨的樣品進(jìn)行轟擊，將樣品表面物質(zhì)以原子的形態(tài)清除出去，以使得樣品達(dá)到無(wú)應(yīng)力研磨的效果。如圖1所示。

圖1 離子研磨原理

正常情況下，對(duì)需要進(jìn)行離子研磨的樣品進(jìn)行離子研磨時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循如圖2步驟。

圖2

4 傳統(tǒng)機(jī)械研磨與離子研磨切片效果對(duì)比

4.1 細(xì)微失效缺陷分析

由于覆銅板本身物理結(jié)構(gòu)的影響，有可能會(huì)其導(dǎo)致后續(xù)加工過(guò)程的失效；常見的包括線路短路、斷路及分層爆板等等。圖3為一典型的短路缺陷，但是使用機(jī)械研磨分析時(shí)，只能看到它屬于短路，并不能看出造成短路的原因；故在此機(jī)械研磨的基礎(chǔ)上施加離子研磨，為對(duì)后續(xù)短路產(chǎn)生原因的分析提供更多的支撐條件。

圖3 機(jī)械研磨與離子研磨效果

由圖3可以明顯的看出機(jī)械研磨與離子研磨的效果，使用離子研磨之后，可以看見缺陷處不僅僅是單純的短路，而且還出現(xiàn)了分層的層面結(jié)構(gòu)，這對(duì)產(chǎn)生該現(xiàn)象原因的分析有很好的指導(dǎo)意義。另一方面，離子研磨之后，甚至連覆銅板銅牙都也清晰的分辨出來(lái)，這也很好的說(shuō)明了我司擁有的該設(shè)備在精細(xì)觀察分析這方面是有很大作用的。

4.2 樹脂與玻纖紗結(jié)合

樹脂與玻纖紗結(jié)合程度的好壞會(huì)影響到覆銅板耐濕熱性性能、力學(xué)性能等，找出樹脂與玻纖紗存在間隙的原因有助于改善覆銅板質(zhì)量，提高覆銅板性能。使用普通機(jī)械研磨時(shí)，通過(guò)SEM觀察可以觀察到樹脂與玻纖紗之間存在間隙，如圖4所示。

圖4

由于對(duì)該樣品切片進(jìn)行機(jī)械研磨時(shí)，樹脂與玻纖紗必定會(huì)受到應(yīng)力作用，經(jīng)過(guò)應(yīng)力拉扯后，樹脂與玻纖紗間隙產(chǎn)生的原因就無(wú)法確定了。究竟是樹脂與玻纖紗本身的結(jié)合問題還是在機(jī)械研磨的過(guò)程中應(yīng)力拉扯將其分開就變得無(wú)法判定。

此時(shí)引入離子研磨，由于離子研磨為無(wú)應(yīng)力研磨，如此即可消除外界應(yīng)力帶入的影響；為確保無(wú)應(yīng)力影響，此處實(shí)驗(yàn)不按照標(biāo)準(zhǔn)程序執(zhí)行，而是直接取樣灌膠后就進(jìn)行離子研磨，得出離子研磨后電鏡的效果有明顯改善；更重要的是如此可以排除了機(jī)械應(yīng)力的影響，很直觀的說(shuō)明了樹脂與玻纖紗之間本身就存在間隙。

4.3 銅箔厚度測(cè)量

覆銅板的銅厚控制一直都是一項(xiàng)出貨的品質(zhì)控制要素，特別是對(duì)于撓性覆銅板來(lái)說(shuō)，由于它的芯板厚度很小而銅箔厚度較芯板來(lái)說(shuō)占據(jù)了整板厚度大部分，所以銅箔厚度控制對(duì)于整板出貨厚度公差來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。由于銅箔金屬的延展性，普通機(jī)械研磨后對(duì)樣品切片進(jìn)行銅箔厚度測(cè)量得到結(jié)果往往會(huì)產(chǎn)生偏差，并且基本都處于較真實(shí)厚度偏大的狀況，所以如何得到真實(shí)的銅厚值對(duì)厚度公差控制有很大的意義。

為表征機(jī)械研磨會(huì)使得銅箔延展而導(dǎo)致銅厚偏高以及證明離子研磨技術(shù)可以很好的解決這一問題，特使用正常處理手法對(duì)樣品切片進(jìn)行處理。處理步驟如下：取層壓了1.5盎司銅箔（供應(yīng)商出貨標(biāo)稱厚度為50 μm±10 μm）的覆銅板，機(jī)械研磨之后隨機(jī)測(cè)量6個(gè)點(diǎn)的銅箔，然后使用離子研磨對(duì)其進(jìn)行處理，首先處理30分鐘再測(cè)量銅厚，然后再依次增加15分鐘的研磨時(shí)間并每次都通過(guò)體式顯微鏡下在相同位置進(jìn)行銅薄厚度測(cè)試，直到厚度結(jié)果穩(wěn)定為止。通過(guò)該方法測(cè)試之后得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可得出，隨著離子研磨時(shí)間的加長(zhǎng)，6個(gè)隨機(jī)點(diǎn)的銅箔厚度最終都趨于穩(wěn)定，而在未進(jìn)行離子研磨之前的銅箔厚度測(cè)量值是最大的。由此也可間接的證明由于銅箔的延展性，機(jī)械研磨會(huì)對(duì)它造成影響，從而使得其厚度測(cè)量結(jié)果偏離真實(shí)值；使用離子研磨之后可以很好的解決該問題，最終得到一個(gè)與銅箔出貨時(shí)標(biāo)稱厚度相吻合的結(jié)果，為后續(xù)的公差控制流程分析提供有效的分析手法及數(shù)據(jù)支持。

表1 銅箔厚度測(cè)試 (單位μm)

5 結(jié)語(yǔ)

離子研磨是一項(xiàng)精密分析的技術(shù)，它可以排除掉很多機(jī)械研磨所帶入的影響因素從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)破壞、高保真度的切片研磨，為結(jié)構(gòu)分析提供一個(gè)最真實(shí)的樣品。

從銅薄厚度分析也可以看出，離子研磨的速度很慢，特別是在做類似的特殊分析時(shí)，它花費(fèi)的時(shí)間會(huì)是普通機(jī)械研磨的一倍以上；另外，離子研磨的研磨面積也很小，只有直徑為5毫米的圓形范圍內(nèi)才能進(jìn)行加工。

離子研磨技術(shù)不僅在覆銅板的結(jié)構(gòu)分析方面，對(duì)于印制電路板的CAF失效分析、分層分析、表面處理效果分析等都有很大幫助。

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