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PCB/PCBA产业无毒/无卤/镀层膜厚测试与检测技术

新闻提供∶李宗洋发表日∶2010/01/21
关键字∶ X射线萤光元素分析仪 X射线镀层测厚仪问题提问

PCB/PCBA产业无毒/无卤/镀层膜厚测试与检测技术
X射线萤光元素分析仪/X射线镀层测厚仪李宗洋

         在全球化市场的竞争趋势下，消费性电子产品之生命周期逐渐缩短，在大量汰旧换新下制造出极大量的电子垃圾，而这些电子垃圾若不能有效回收再制，就会被视为废弃物加以处理，若处理不当，存在其中的有毒物质就会对地球环境造成极大的伤害。

        根据统计，欧盟有90%的WEEE采取掩埋、焚化、或未经任何前处理之回收，因此在垃圾中多数的有害物质，都是来自於WEEE。WEEE的焚化处理，每年排放36吨汞及16吨的镉等重金属，而WEEE所含的溴化物阻火剂，在600～800℃的低温燃烧下，透过铜作为催化剂，会产生毒性极强的戴奥辛(Dioxin)和喃，对环境危害极大。WEEE采取掩埋处理同样造成环境污染，部分水银开关破损後，汞就会以液态或气态进入环境中，而在掩埋场渗出水常含较高酸性，阴极射线管中的铅及其他金属就容易因此溶出，污染土壤及地下水。另外，WEEE也常含有其他化学物质，如多氯联苯(PCB)、溴化物阻火剂、戴奥辛以及喃等其他毒性化学物质。因此，欧盟限制输入其境内的电机电子产品之零附件中不得含有铅、镉、汞、六价铬以及溴化耐燃剂--多溴联苯(PBB)、多溴联苯醚(PBDE)--等物质，并在2006年7月1日正式实施「欧盟废电子电机设备中危害物质禁用指令(RoHS)」。

       继欧盟及中国大陆之有害物质限用指令陆续实施後，包含铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯以及多溴联苯醚等物质，已不得用於制造电子产品或其零组件。而绿色和平组织(Greenpeace)现阶段大力推动的绿化政策，则是要求所有的制造商完全排除其电子产品中之聚氯乙烯及溴系阻燃剂，以符合兼具无毒(Cd,Pb,Hg,Cr6+)和无卤素(Halogen Free)之绿色电子规范。

       工业用的阻燃剂可分为溴系阻燃剂、氯系阻燃剂、磷系阻燃剂、无机阻燃剂等，而用於印刷电路板、电线绝缘、各种塑料，则以溴系、氯系等卤素阻燃剂为主。卤素阻燃剂主要优点是添加量少、耐燃效果佳以及符合欧规的防火要求。不过，其缺点为燃烧时，如同燃烧聚氯乙烯(PVC)一样，会释放出「世纪之毒」的戴奥辛。戴奥辛在环境中难以分解，导致环境蓄积，经由生物链会造成生物累积与生物浓缩。此外，戴奥辛具脂溶性，积存於脂肪内无法分解，极长时间才能排出，因此，吸收或暴露於过量环境中，容易罹患癌症。

       自绿色和平组织从2006年开始发布绿色电子产品指南以来，电子产品品牌业者陆续宣告将逐步淘汰产品中所含卤素化合物中的聚氯乙烯和溴系阻燃剂，而完全淘汰的时程表多数订在2009～2010年间，其中戴尔(Dell)、苹果以及三星(Samsung)甚至早已订定产品无卤素规范，开始要求供应商导入无卤素制程。而国内知名品牌业者与系统厂商也於2007年底开始进行供应商调查与宣导，并计画於2008年下半年度展开逐渐淘汰含卤素产品的行动。其中多数业者皆参考IEC 61249-2-21的无卤素定义，藉由限制均质材料中氯(Cl)及溴(Br)的含量，达到禁用聚氯乙烯和溴系阻燃剂的目标。

XRF定量分析可靠度/精准度迥异

       X-光萤光分析仪(XRF)系利用X-光束照射试片，以激发试片中的元素，当原子自激发态回到基态时，侦测所释放出来的萤光，经由分光仪分析其能量与强度後，可提供试片中组成元素的种类与含量，具有快速、非接触、非破坏性以及多元素分析等特点。

       其原理是利用放射源(如Cd109)或高电压激发光管(非辐射放射源)放射出X射线，激发待测物内层的电子，此时为保持能量平衡，分子外围电子填入内层电子的空缺。因外围电子能量较高，故外围电子进入内层轨域时，放出特定的萤光能量，藉由能量的大小推知待测物的量。

资料来源∶雄迈电子科技贸易(上海)有限公司
XRF的定性原理

       因此，一般XRF就能在不同元素所产生的二次X射线来做定性的判断，再依其强度做定量的分析，但各厂牌的X-光萤光分析仪最大差别，就在於定量分析时，其所使用的定量方式和技术的差异性，造成其精确度与可靠度的差异。
举例说明如下:

     利用快速且便利的非破坏性检测仪器-X射线萤光分析仪(XRF)，检测PCBA产品中RoHS及无卤素规范主要元素含量，共包括Cd、Pb、Hg、Cr、Br、Cl等六项元素。

     检测内容主要是先利用桌上型XRF-SEA 6000VX进行PCBA的映图扫描分析(Mapping)快速确认PCBA上重金属存在位置，再利用全世界精度最高且最快速的桌上型XRF-SEA 1200VX进行PCBA上可疑零部件的元素含量进行无毒、无卤的定量分析。

仪器特点介绍

SEA 1200VX
X射线萤光分析仪(XRF)

日本精工Seiko针对塑料高分子中Cd、Pb等有害重金属分析，特别所设计了全新机型—SEA1200VX桌上型XRF，无需液态氮的成本、无需增加工作量的分析装置，可以省去繁琐的样品检测前处理时间，以提供更简便、迅速的分析。其特点包括∶

超低检测下限的(Cd∶1.9ppm；Pb∶ 0.9ppm)
采用Vortex高解析度之矽半导体多阴极检测器，无须液态氮
高计数率设计的Vortex检测器，计数率是一般检测器的15~20倍
具备430(W)x320(D)x200(H)的大型样品室
配备有CCD监视器，可监测样品分析位置
全中文化操作软体介面
形状厚度自动补正功能(Seiko专利)
含氯塑胶自动补正功能(Seiko专利)

SEA 6000VX
X射线萤光分析仪(XRF)

日本精工Seiko推出的SEA 6000VX大幅提升了灵敏度，实现了对微小区域的高速测量。由於配备了日本精工自行研发设计的无需液氮冷却的高计数率Vortex检测器及全新设计的X射线源，更是得到了比以往机型高出10倍以上的灵敏度。对於原先在5mm～10mm左右比较大的分析范围内进行的微量有害物质测量，现在即使在0.5mm～1.2mm左右的微小区域内也能以相同或者更短的时间进行测量。通过结合了大幅提高的微小区域X射线萤光分析灵敏度和高速电动平台，能够快速获得二维扫描图像。特别是强化了对线路板(PCB)中铅的扫描，配备了铅扫描专用滤波器。让1,000ppm以下无铅焊锡中的铅扫描变成简单可行。并可获得250mm x 200mm的20μm以下高清晰度的光学影像。以该光学影像可以直接精确指定测量位置，让操作性得到飞跃般的改善。此外，该光学影像可以和通过高速扫描获得的扫描图像进行重叠，可在大范围内进行高精度分析。其特点包括∶

高速扫描测量
宽视野高清晰度光学系统
微小区域中微量金属的高速测量
采用Vortex高解析度之矽半导体多阴极检测器，无须液态氮
高计数率设计的Vortex检测器，计数率是一般检测器的15~20倍

XRF分析条件

1. SEA 1200VX∶针对PCBA上不同材质及不同颜色的部件分别进行
    单    点测试，分析Cd、Pb、Hg、Cr、Br、Cl等六项元素含量。

2. SEA 6000VX∶针对PCBA进行映图扫描(Mapping)，先将一整片的
    电路板，透过高解析度的光学镜头，以一个区块一个区块的照射
    方式，将整个PCBA的影像呈现，在选择要分析的位置，进行Cd
   、Pb、Hg、Cr、Br、Cl等六项元素的分析，可获得250mm x 200mm
    的20μm以下高清晰度的光学影像。

再以该光学影像可以直接精确指定测量位置，进行重叠扫描，可进行六项元素的高精度定量分析，从而可以判断整片PCBA中六项有害物质的浓度以及分布范围分布，以确认是否符合规范。

膜厚镀层测厚仪在PCBA行业上的应用

日本精工Seiko膜厚镀层测厚仪被广泛的应用於电子产业表面电镀，比如电子元器件，半导体IC封装，PCBA，FPC,汽车零部件，五金工业，电器外壳，连接器,端子等在表面都会有电镀层。不同的产品对镀层及镀层厚度的要求会有所不同，电镀工艺的好坏会直接影响到产品的品质及生产成本，所以我们需要有相应的检测仪器对我们的电镀产品做厚度及电镀工艺的检测，以确保品质及降低生产成本。

萤光X射线用於膜厚镀层测试的优点∶

X-ray属於非破坏性测试，非接触式检测，没有污染，可对成品进行无伤害测试，可进行多层合金测量，测试人员无需有专业知识，测试精度高，全电脑控制，定点准确度高，具有高生产力，高再现性等优点。

X射线膜厚镀层测试仪特点简介∶

能够测量无铅焊锡镀层厚度与成分
搭载中心搜索软体
Z轴防冲撞功能
雷射自动对焦
测试报告自动生成
自动测量软体
搭载薄膜FP法软体

SFT 9200系列X射线膜厚镀层测试仪

特点说明:

1薄膜FP软体, 可以对应於含无铅焊锡在内的合金电镀或多层电镀的测量,应用范围广泛.
2自动测量,中心检查,三维电动控制.XYZ平台自动移动。
3防止冲撞功能
对於测量有高低差的样品时,配置了为防止样品和仪器冲撞自动停止功能..
4具备雷射自动对焦,可以进行精确的轴定位，轻轻按一下镭射按钮,就可自动进行对焦.
5检测报告的自动生成软体，测量资料与Word和Excel链结,自动生成报告和资料处理,简单、快速地列印出来.
6底材补正,已知样品补正
7测量室门自锁功能
8仪器自诊断功能

SEIKO SFT9200系列仪器测试实例（IC引脚镀层厚度检测）∶

装置	SFT9250 应用DEMO机		SFT9250 应用DEMO机		SFT9250 应用DEMO机
样品号	1号样品		1号样品		1号样品
编号	位置1		位置2		位置2
样品图片
准直器	0.1mm		0.1mm		0.1mm
N	Sn（um）	底材	Sn（um）	底材	Sn（um）	底材
1	6.88	5000.000	6.67	5000.000	9.71	5000.000
2	6.94	5000.000	6.63	5000.000	9.78	5000.000
3	6.80	5000.000	6.63	5000.000	9.53	5000.000
4	6.91	5000.000	6.66	5000.000	9.62	5000.000
5	6.98	5000.000	6.56	5000.000	9.70	5000.000
平均值	6.902	5000.000	6.630	5000.000	9.668	5000.000
标准误差	0.068	0.000	0.043	0.000	0.096	0.000
CV%	0.985	0.000	0.649	0.000	0.990	0.000
最大值	6.980	5000.000	6.670	5000.000	9.780	5000.000
最小值	6.800	5000.000	6.560	5000.000	9.530	5000.000
范围	0.180	0.000	0.110	0.000	0.250	0.000

报告分析∶

上述检测样品为PCBA上IC引脚，底材为铜，表面镀锡，一共取3个点测试，结果发现第三个点的锡镀层厚度平均值高于第一个点和第二个点的平均值，应该是产品制程所引起的。从测试数据上来看，每个点重复测试五次，测试数据的稳定性非常好，CV值小于1% 。

X射线膜厚暨镀层测试仪器应用於PCBA上各部件膜厚分析具有下列优点∶

1 XYZ轴自动定位，针对样品选取不同的位置进行连续自动测量，可以对整个样品镀层做全面扫描，相对於一些需要手动定位的X荧光膜厚分析仪器比起来具有操作方便，节省时间，定位精准的优势。特别是在测量一些微小样品时，XYZ轴自动定位已经是必不可少的配备。

2 XYZ轴自动定位对样品进行全面扫描还可以很轻松的检测出样品镀层各部分是否均匀，产品制程上的不良一测便知，是产品品质管理的高效率武器。

3测试数据稳定性好，CV值小于1%，测试的重复性好，精准度高。对一些要求严格的做高端产品的产业来说，X射线膜厚暨镀层测试仪器是唯一适合的检测工具。

总结:

随著科技日新月异，高科技电子产品的生命周期也越趋短暂，电子垃圾的大量产生拌之而来的即是对我们人类生存环境的冲击，所以除有害物质管理计画外、建立产品回收系统与节能产品的设计，也是各大电子产品制造商持续关切的重点，因近年温室气体与气候变迁的话题持续发酵，Greenpeace特地将温室气体产生量的资讯揭露及使用替代性能源也列入评分项目，由此可知，绿色产品的定义不仅是有害物质禁用此单项议题，考量产品生命周期，全面评估产品从生产、使用到废弃，对环境及人类造成的影响，进而提升产品，才是真正的绿色产品!
X射线萤光元素分析仪(XRF) 检测PCBA产品中RoHS及无卤素规范主要元素含量，共包括Cd、Pb、Hg、Cr、Br、Cl等六项元素是目前普遍被电子产业接受的方式，另外X-ray属於非破坏性测试，非接触式检测，没有污染，可对成品进行无伤害测试，可进行多层合金测量，测试人员无需有专业知识，测试精度高，全电脑控制，定点准确度高，具有高生产力，高再现性等优点所以亦被广泛的应用到电子产业表面电镀的膜厚分析上，可在短时间内(<10秒)得到高精密镀层厚度测试(误差范围<10%;测厚范围0.001~100μm) !