解析SEM_EDS分析原理及应用.pdf

印制电路信息 2012 No.5 -66- 短评与介绍 Short Comment EDS; PCB Manufacturing Process; Analysis principle 1 前言 近年来，半导体大规模集成电路技术迅速发展， 电子设备向着轻量化、小型化和多功能化方向转变， 致使PCB加工层次也越来越高，产品对PCB导线覆盖 的完整性及信号传输特性提出了更高的要求，PCB可 靠性分析成为验证制作技术和品质的必要条件 SEM&EDS（扫描电子显微镜和X-射线能量色散 谱方法）分析法以其先进的分析理念和高效准确的分 析过程，已经被各个行业所应用我国在1958年成功 地研制了第一台电子显微镜，SEM的景深大，放大 倍率连续可变，适用于研究微小物体的立体形态和表 面的微观结构；EDS可测元素范围大，且对分析物不 造成损伤 以下将从原理和应用实例等方面对SEM&EDS在 PCB的制程控制中的应用做简单介绍 2 （SEM&EDS）分析原理简介 SEM&EDS组合是应用最广的显微分析仪器，它 能快速、同时对各种试样的微区内的所有元素进行 定性、定量分析SEM&EDS在定性、定量分析时， 是利用束径（101）m范围的高能电子束，激发出 试样m范围的各种信息，进行成份、形貌等分析。

成分分析的空间分辨率在立方m范围，微区分析是 其重要特点之一，它能将微区化学成份与显微结构 对应起来，是一种显微结构的分析 2.1 X-射线能谱（EDS）分析原理 2.1.1 特征X-射线的产生3 特征X-射线的产生是入射电子使内层壳电子激 发而发生的现象当内层电子被轰击后跳到比费米 能级高的能级上，电子轨道内出现的空位被外壳层 轨道的电子填入时，作为多余能量放出的就是特征 X-射线高能级的电子落入空位时，要遵从所谓的 选择规则（Selection Rule），只允许满足轨道量子数 l的变化l1的特定跃迁图1表示空位在内壳层 1s轨道（K壳层）中形成时，由于L3向K跃迁，放出 检验与测试 Inspection & Test -67- 短评与介绍 Short Comment & Intr印制电路信息 2012 No.5 K1的特征X-射线的过程图2表示空位在K壳层和L 壳层中形成时产生的主要的特征X-射线按照图2， 可以用K1、K2等记号来表示特征X-射线的种类，这 是西格巴恩（Siegbahn）表示方法，K1、K2等的特 征X-射线的能量相差很小而分不开时，就写成K1.2或 者简单写成K。

特征X-射线具有元素固有的能量，所以，将它 们展开成谱后，根据它的能量值就可以确定元素的 种类而且根据谱的轻度分析就可以确定其含量 另外，从空位在内壳层形成的激发状态变到基 态的过程中，除产生X-射线外，还放出俄歇电子 一般来说，随着原子序数增加，X-射线产生的几率 （荧光产额）增大，但是，与它相伴的俄歇电子的 产生几率却减小因此，在分析试样中的微量杂质 元素时，EDS对重元素的分析特别有效 图1 伴随内壳层电子激发的电子能量损 失谱和特征X-射线谱的示意图 图2 电子能级和特征X-射线的种类示意图 2.1.2 X能谱仪检测原理 X-射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的 灵敏度和分辨率，它的作用是测量电子与试样相互 作用产生的X-射线波长（频率）和强度对于试样 产生的特征X-射线，有两种展成谱的方法：X-射 线能量色散谱方法（EDS：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）和X-射线波长色散谱方法（WDS： Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy）在分析 电子显微镜中均采用探测效率高的EDS （1）光子能量检测过程 X-射线光子进入锂漂移硅Si(Li)探测器后，在晶 体内产生电子-空穴对。

低温下，产生一个电子空 穴对平均消耗能量为3.8ev能量为E的X-射线光子产 生的电子空穴对为NE/3.8 电子-空穴对形成电 压脉冲信号，探测器输出的电压脉冲高度对应X-射 线的能量 （2）能谱定性分析原理 定性分析是通过波谱或能谱，测量入射电子与 试样相互作用产生的特征X-射线波长或者频率，来 鉴别试样中元素组成的分析 X-射线的能量为Eh，h为普朗克常数，为光 子振动频率不同元素发出的特征X-射线具有不同 频率，即具有不同能量，只要检测不同光子的能量 （频率）即可确定元素，即定性分析 （3）能谱定量分析原理 运用电子激发X-射线谱的方法测定微米尺度分 析体积中的元素含量根据需要，定量结果可以用 原子百分比、质量百分比、原子或者质量分数、单 位体积内的摩尔或者质量、单位面积或者单位体积 内的原子数表示 2.2 扫描电子显微镜（SEM）分析原理 扫 描 电 子 显 微 镜 （ S c a n n i n g E l e c t r o n Microscope，SEM）是用聚焦电子束在试样表面逐点 扫描成像扫描电子显微镜由电子枪、聚光镜、物 镜等组成，聚光镜、物镜将电子枪发出的电子汇聚 在试样上，经过试样内的多次弹性散射和非弹性散 射后，在样品表面外形成多种信息。

这些信息与样 品表面的几何形貌以及化学成分等有很大的关系 通过这些信息的解析就可以达到获得表面形貌和化 学成分的目的 用于扫描电镜观察的试样制备较为简单，有 检验与测试 Inspection & T est 印制电路信息 2012 No.5 -68- 短评与介绍 Short Comment & Intr 的试样表面不需要再加工，可以直接观察它的自然 状态例如对金属的断口进行分析时，就不需要加 工，加工反而破坏了断口的原貌对于大的试样， 无法放入扫描电镜内，需要切成小块放入但是切 割时应注意不能破坏观察面，并要保持清洁对于 不欲切割或不允许切割的样品则需要用AC纸制作复 制膜，在其上面再喷上一层导电层（如金、碳等） 放入扫描电镜内观察若试样是绝缘材料，电子束 打在试样上会累积电荷，影响电子束的正常扫描， 制样时要在试样观察面上喷一层很薄的导电层，观 测时便可将多余的电荷导走在观察腐蚀试样时， 要注意在腐蚀试样时，不能留有腐蚀产物，否则会 出现假相对于粉末试样，需先将导电胶或双面胶 纸粘接在样品座上，再均匀的把粉末样撒在上面， 用洗耳球吹去未黏住的粉末，再喷上一层导电膜， 即可上电镜观察。

SEM&EDS是用聚焦得很细的电子束照射被检测 的试样表面，由于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通过 检测二次电子或背散射电子信息进行形貌观察；用 X-射线能谱仪或波谱仪，测量电子与试样相互作用 所产生的特征X-射线的（频率）波长与强度，从而 对微小区域所含元素进行定性或定量分析 3 SEM&EDS的应用实例 3.1 PCB质量可靠性分析 目前SEM&EDS分析技术主要被用于PCB的焊接 不良分析方面，如热风整平处理（HASL）的焊盘可 焊性不良分析、电镀镍金焊盘的可焊性不良、CAF失 效分析等；以及PCB生产过程/贴片过程的失效分析 方面 PCB生产过程中发生的问题，大都产生于操作 过程中，一些问题采用传统的手法往往不能发现根 源，也就不能达到预防问题再次发生的目的经过 SEM&EDS分析能够更好的帮助我们分析PCB在生产 制作过程中发生失效的根本原因 3.2 应用实例 3.2.1 分析不同微蚀量对铜面处理效果的影响 为了分析不同微蚀量时铜面的粗糙度，以便检 测铜面与干膜的结合力情况，可以通过SEM将不同 微蚀量对应的铜面粗糙度加以对比，同时对不同微 蚀量所处理铜面上干膜的结合力情况加以对比，以 确定较佳的微蚀量。

具体比较见表1 从中可以看出，微蚀量为0.83 m的铜面效果和 干膜结合力均好于微蚀量为0.54 m的铜面 3.2.2 沉镍金（ENIG）过程的药水分析 为监控化金药水的稳定性及化金板的品质，需 检验与测试 Inspection & Test -69- 短评与介绍 Short Comment & Intr印制电路信息 2012 No.5 定期对化金板进行抽测通过分析化金板上镀镍层 的P含量，同时拍摄镍层的SEM图片（严重者需拍 镍层的截面图）以监控化金药水是否正常图3是沉 金板上镀镍层的能量损失谱，从中可以看出，P含量 （10.04%）处于正常范围（9%11%）；图4为沉金 板上镀镍层的SEM图，从图中可以看出，镍面感兴 趣区裂纹在允收范围内 图3 沉金板上镀镍层的能量损失谱 图4 镍层SEM图 3.2.3 龟纹的影响因素分析 对于使用负片流程生产的PCB，为保证板面粗 糙度和干膜结合力，外层制作时，一般都需要使用 超粗化做前处理，但是有机酸超粗化线生产的板， 退膜蚀刻后经常出现龟纹状氧化问题，如图5所示， 影响生产进度与品质 图5 有机酸做板后板面龟纹状氧化 表2 镍层元素分析表 元素 元素（浓度） 强度（校正） 重量（百分比） 重量百分比（Sigma） 原子（百分比） P K 45.04 0.8654 10.04 0.17 17.46 Ni K 454.35 0.9743 89.96 0.17 82.54 总量 100.00 分别使用：“机械磨刷+火山灰贴膜曝光 显影、蚀刻、退膜”和“超粗化贴膜曝光显 影、蚀刻、退膜”试验对比发现，火山灰前处理做 的板，蚀刻退膜完成后，板面无龟纹出现，所以将 问题锁定在超粗化线。

对火山灰前处理的板面和超粗化前处理的板面 进行元素分析，如图6、7所示 元素分析表明：超粗化后的板面含有碳元素， 其能量为1.510 keV初步判定，有机酸超粗化做的 板面含有不溶于强碱（退膜液）的物质 图6 超粗化铜面EDS图 图7 火山灰铜面EDS图 最后返回生产线跟进观察确认，出现“龟纹” 状氧化的原因是：有机酸超粗化前处理线烘干段空 气中含有较强的超粗化药水雾气，污染板面导致 经过增加超粗化前处理烘干段的抽风口和抽风 量，整改现场环境后，龟纹现象得到明显改善 3.3 SEM&EDS在其他方面的应用 SEM&EDS分析速度快，试样制备简单，具有可 同时获得形貌和成分的信息等特点，已在各个行业 获得广泛的应用 SEM&EDS分析法除在PCB制造领域表现出其优 越性之外，还被应用于电子封装，材料、医药、生 检验与测试 Inspection & T est 印制电路信息 2012 No.5 -70- 短评与介绍 Short Comment & Intr 物等领域例如，钢制品在使用过程中可能出现局 部腐蚀现象，采用SEM&EDS分析法进行分析，可以 查找出先腐蚀的原因；还可以将SEM&EDS与热重分 析相结合，研究催化剂的失活分析，探索催化剂的 再生工艺路线等。

4 结论与展望 本文通过分析SEM&EDS原理，简单举例说明了 SEM&EDS分析方法在PCB制造过程中的应用，为一 些通过表观现象分析不能解决的问题提供了一种可 靠可行的分析方法 随着扫描电子显微镜和X-射线能谱仪的不断 改造和升级，以及电子封装工程应用范围的不断扩 大，更好的利用SEM&EDS分析方法分析电子封装失 效原因及PCB生产中的异常，提高各类电子产品的质 量，必将成为一种发展趋势 参考文献 张盘新. CAF失效分析方法探讨J. 印制电路信 息, 2009,S1. 刘冬. PBGA焊接开裂失效原因分析及改善J. 印 制电路信息 2010,8. 近藤大辅. 材料评价的分析电子显微方法M. 北 京:冶金工业出版社. 朱琳. 扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用 N. 吉林化工学院学报,2007,20(2):81-84,92. 赵萍. (SEM-EDS)在催化剂失活分析中的应用J. 中国催化剂网,2009,3. 第一作者简介 翟青霞，硕士研究生，研发部高多层课主管 1 2 3 。