金相切片在电子制造与材料分析中的应用

一、引言

一块PCBA 在客户端使用不到一年就出现开路。X-Ray 透查看不出异常，电性能测试全部合格，AOI 也一轮过完——所有能在不拆样品的前提下做的检查，都给出了“正常”的结论。直到把它切开、磨到镜面、放到显微镜下，问题才现形：PTH 孔壁转角位置的孔铜，已经沿玻纤方向裂开了一整圈。

把这类问题从“看不见”变成“看得见”，正是金相切片存在的理由。

二、什么是金相切片

金相切片（Cross-section，也写作x-section）在行业内更常被称为微切片或截面切片：把样品用树脂固封后研磨、抛光，得到一个可供显微观察的截面。它本身不是一种成像技术，而是一种制样方法，制样后再借助体视显微镜、金相显微镜或扫描电镜（SEM）读取截面上的组织信息。

图：金相切片设备图

图：金相切片流程示意图

常见的切片方式有：

垂直切片（Vertical Section）/ 纵切片（Longitudinal Section）：沿垂直于板面（或样品主表面）的方向切开，观察其剖面状况。这是常用的切片方式，适用于观察通孔镀铜质量、镀层厚度、焊点内部结构等。

水平切片（Horizontal Section）/ 横切片（Transverse Section）：沿平行于板面的方向逐层向下研磨，观察每一层面的状况。通常用于辅助垂直切片，进行品质异常的分析判定，例如观察某一特定层内的线路或缺陷分布。

斜切片（Oblique Section）：以倾斜角度切割样品，常用于观察特定角度的界面或缺陷，是垂直和水平切片之外的一种补充方法。

切孔（Cross-sectioning of a Hole）：这是一种针对通孔的切片方法，通过对孔进行灌胶固化后研磨，专门观察孔壁的镀层质量。

三、应用范围

金相切片的应用范围非常广，一般情况下关注内部结构的都适用。其价值在于：把样品内部看不见的结构、界面和缺陷“切开来看”，从而进行尺寸测量、组织观察和失效判定。在电子制造中，以导线与端子的压接连接为例，这个在元器件级才出现的部位，截面上可以直接读出压接刀片的几何外形、镀层质量、芯线分布是否均匀、有没有断芯——这些信息在电性能测试里拿不到。

表：金相切片的应用范围（电子制造&材料分析）

四、能力范围

从金相切片的截面能得到什么信息，取决于关注点与判定标准。举例在PCB样品切片中，我们可以得到如下表所示的判读项信息：

上表判断在确认一个问题：这个连接是可靠的，还是只是看起来连上了。

IMC 层尤其能说明这一点一一它是焊料与焊盘之间的金属互化物，低于0.5 μm 往往意味着润湿不充分，过厚则意味着界面脆化，在机械冲击或温度循环下容易沿IMC 断裂。金相切片提供的信息，是焊点能不能长期可靠，而不只是当下有没有焊上。

图：焊接层IMC测量

除以上判读项之外，截面还能给出几何尺寸与结构剖析：如气孔大小、上锡高度、铜箔厚度、元器件尺寸、镀层厚度等等，并能从同一切片取得多组数据；而层数解析、器件结构剖析、盲埋孔填孔、内部缺陷是否连续等等，也是金相切片在结构剖析上的擅长之处。

图：金相切片后SEM观察器件内部开裂

这些信息的读取程度还取决于观察手段的配合：体视显微镜适合整体形貌概览，金相显微镜常用于50～1000 倍的层厚测量与组织判别，而搭配扫描电镜SEM则可推进到上万倍并配合能谱（EDS）做微区成分分析。

图：PCB板漏电失效

图：截面观察PCB板内部CAF迁移

五、优点与边界

要理解切片的价值，得先看清无损检测停在了哪里。

X-Ray 对裂纹的检出取决于裂纹两侧的密度差，C-SAM 对分层的判定依赖于声阻抗差一一两者都很难回答“这个界面上到底有没有低于1μm 的裂缝”。这时候就需要将样品切开进行确认，这也造成了它与X-Ray、C-SAM 这类无损手段的根本差异：后者可以全检、可以复测，而切片必须把样品剖开，一旦固封、切割、磨抛就无法恢复原貌。破坏性是它的代价，也是它的能力来源——正因为必须破开，它才能看到那些被遮挡的层次。也正因能力互补，两者通常配合使用：无损检测负责发现疑点并圈定范围，切片负责确认疑点并给出可判读的证据。

图：截面观察微裂纹

图：截面观察微裂纹

另外一点值得提出的是，是切片质量对制样水平的高度依赖。研磨过度会错过观察面、机械研磨可能会带来的金属延展和表面划痕问题。针对这种情况，对微小区域与软材料，博仕检测工程师会改用聚焦离子束（FIB）或者氩离子束（CP）去除材料的方式，用更合适的方法换取更真实的组织形貌。

六、结语

回头看开头那块PCBA：X-Ray 看不出异常，电测全部合格，问题却真实存在。金相切片处理的正是这一类“外部完好、内部已坏”的问题——它不增加新的检测项目，只是把已有样品剖开，让被遮挡的层次显形。

也正因如此，它不会只停留在某一类产品上。从印制板与组装件，到元器件内部的电极、焊球与压接区，再到陶瓷、塑料、电镀件与金属零部件，判断需不需要它，本质上只取决于一个问题，那就是否已经超出“看表面”所能回答的范围。

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