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- 技術應用 -
21.Jan.2010

X-ray螢光-XRF PCB/PCBA產業無毒/無鹵/鍍層膜厚測試與檢測技術

文章-橫幅

PCB/PCBA產業無毒/無鹵/鍍層膜厚測試與檢測技術
X射線螢光元素分析儀/X射線鍍層測厚儀         

     
         在全球化市場的競爭趨勢下，消費性電子產品之生命週期逐漸縮短，在大量汰舊換新下製造出極大量的電子垃圾，而這些電子垃圾若不能有效回收再製，就會被視為廢棄物加以處理，若處理不當，存在其中的有毒物質就會對地球環境造成極大的傷害。 

        根據統計，歐盟有90%的WEEE採取掩埋、焚化、或未經任何前處理之回收，因此在垃圾中多數的有害物質，都是來自於WEEE。WEEE的焚化處理，每年排放36噸汞及16噸的鎘等重金屬，而WEEE所含的溴化物阻火劑，在600～800℃的低溫燃燒下，透過銅作為催化劑，會產生毒性極強的戴奧辛(Dioxin)和喃，對環境危害極大。WEEE採取掩埋處理同樣造成環境污染，部分水銀開關破損後，汞就會以液態或氣態進入環境中，而在掩埋場滲出水常含較高酸性，陰極射線管中的鉛及其他金屬就容易因此溶出，污染土壤及地下水。另外，WEEE也常含有其他化學物質，如多氯聯苯(PCB)、溴化物阻火劑、戴奧辛以及喃等其他毒性化學物質。因此，歐盟限制輸入其境內的電機電子產品之零附件中不得含有鉛、鎘、汞、六價鉻以及溴化耐燃劑--多溴聯苯(PBB)、多溴聯苯醚(PBDE)--等物質，並在2006年7月1日正式實施「歐盟廢電子電機設備中危害物質禁用指令(RoHS)」。 

       繼歐盟及中國大陸之有害物質限用指令陸續實施後，包含鉛、鎘、汞、六價鉻、多溴聯苯以及多溴聯苯醚等物質，已不得用於製造電子產品或其零組件。而綠色和平組織(Greenpeace)現階段大力推動的綠化政策，則是要求所有的製造商完全排除其電子產品中之聚氯乙烯及溴系阻燃劑，以符合兼具無毒(Cd,Pb,Hg,Cr6+)和無鹵素(Halogen Free)之綠色電子規範。

       工業用的阻燃劑可分為溴系阻燃劑、氯系阻燃劑、磷系阻燃劑、無機阻燃劑等，而用於印刷電路板、電線絕緣、各種塑料，則以溴系、氯系等鹵素阻燃劑為主。鹵素阻燃劑主要優點是添加量少、耐燃效果佳以及符合歐規的防火要求。不過，其缺點為燃燒時，如同燃燒聚氯乙烯(PVC)一樣，會釋放出「世紀之毒」的戴奧辛。戴奧辛在環境中難以分解，導致環境蓄積，經由生物鏈會造成生物累積與生物濃縮。此外，戴奧辛具脂溶性，積存於脂肪內無法分解，極長時間才能排出，因此，吸收或暴露於過量環境中，容易罹患癌症。

       自綠色和平組織從2006年開始發布綠色電子產品指南以來，電子產品品牌業者陸續宣告將逐步淘汰產品中所含鹵素化合物中的聚氯乙烯和溴系阻燃劑，而完全淘汰的時程表多數訂在2009～2010年間，其中戴爾(Dell)、蘋果以及三星(Samsung)甚至早已訂定產品無鹵素規範，開始要求供應商導入無鹵素製程。而國內知名品牌業者與系統廠商也於2007年底開始進行供應商調查與宣導，並計畫於2008年下半年度展開逐漸淘汰含鹵素產品的行動。其中多數業者皆參考IEC 61249-2-21的無鹵素定義，藉由限制均質材料中氯(Cl)及溴(Br)的含量，達到禁用聚氯乙烯和溴系阻燃劑的目標。

XRF定量分析可靠度/精準度迥異

       X-光螢光分析儀(XRF)係利用X-光束照射試片，以激發試片中的元素，當原子自激發態回到基態時，偵測所釋放出來的螢光，經由分光儀分析其能量與強度後，可提供試片中組成元素的種類與含量，具有快速、非接觸、非破壞性以及多元素分析等特點。

       其原理是利用放射源(如Cd109)或高電壓激發光管(非輻射放射源)放射出X射線，激發待測物內層的電子，此時為保持能量平衡，分子外圍電子填入內層電子的空缺。因外圍電子能量較高，故外圍電子進入內層軌域時，放出特定的螢光能量，藉由能量的大小推知待測物的量。
1

資料來源：雄邁電子科技貿易(上海)有限公司
XRF的定性原理

       因此，一般XRF就能在不同元素所產生的二次X射線來做定性的判斷，再依其強度做定量的分析，但各廠牌的X-光螢光分析儀最大差別，就在於定量分析時，其所使用的定量方式和技術的差異性，造成其精確度與可靠度的差異。
舉例說明如下:

     利用快速且便利的非破壞性檢測儀器-X射線螢光分析儀(XRF)，檢測PCBA產品中RoHS及無鹵素規範主要元素含量，共包括Cd、Pb、Hg、Cr、Br、Cl等六項元素。

     檢測內容主要是先利用桌上型XRF-SEA 6000VX進行PCBA的映圖掃描分析(Mapping)快速確認PCBA上重金屬存在位置，再利用全世界精度最高且最快速的桌上型XRF-SEA 1200VX進行PCBA上可疑零部件的元素含量進行無毒、無鹵的定量分析。
　
儀器特點介紹

2
 		 SEA 1200VX
X射線螢光分析儀(XRF)
       日本精工Seiko針對塑料高分子中Cd、Pb等有害重金屬分析，特別所設計了全新機型—SEA1200VX桌上型XRF，無需液態氮的成本、無需增加工作量的分析裝置，可以省去繁瑣的樣品檢測前處理時間，以提供更簡便、迅速的分析。其特點包括：
  • 超低檢測下限的(Cd：1.9ppm；Pb： 0.9ppm)
  • 採用Vortex高解析度之矽半導體多陰極檢測器，無須液態氮
  • 高計數率設計的Vortex檢測器，計數率是一般檢測器的15~20倍
  • 具備430(W)x320(D)x200(H)的大型樣品室
  • 配備有CCD監視器，可監測樣品分析位置
  • 全中文化操作軟體介面
  • 形狀厚度自動補正功能(Seiko專利)
  • 含氯塑膠自動補正功能(Seiko專利)
3
 		 SEA 6000VX
X射線螢光分析儀(XRF)

       日本精工Seiko推出的SEA 6000VX大幅提升了靈敏度，實現了對微小區域的高速測量。由於配備了日本精工自行研發設計的無需液氮冷卻的高計數率Vortex檢測器及全新設計的X射線源，更是得到了比以往機型高出10倍以上的靈敏度。對於原先在5mm～10mm左右比較大的分析範圍内進行的微量有害物質測量，現在即使在0.5mm～1.2mm左右的微小區域内也能以相同或者更短的時間進行測量。通過结合了大幅提高的微小區域X射線螢光分析靈敏度和高速電動平台，能夠快速獲得二維掃描圖像。特别是强化了對線路板(PCB)中鉛的掃描，配備了鉛掃描專用濾波器。讓1,000ppm以下無鉛焊錫中的鉛掃描變成簡單可行。並可獲得250mm x 200mm的20μm以下高清晰度的光學影像。以該光學影像可以直接精確指定測量位置，讓操作性得到飛躍般的改善。此外，該光學影像可以和通過高速掃描獲得的掃描圖像進行重疊，可在大範圍内進行高精度分析。其特點包括：
  • 高速掃描測量
  • 寬視野高清晰度光學系统
  • 微小區域中微量金屬的高速測量
  • 採用Vortex高解析度之矽半導體多陰極檢測器，無須液態氮
  • 高計數率設計的Vortex檢測器，計數率是一般檢測器的15~20倍
    　

XRF分析條件


1. SEA 1200VX：針對PCBA上不同材質及不同顏色的部件分別進行
    單    點測試，分析Cd、Pb、Hg、Cr、Br、Cl等六項元素含量。

2. SEA 6000VX：針對PCBA進行映圖掃描(Mapping)，先將一整片的
    電路板，透過高解析度的光學鏡頭，以一個區塊一個區塊的照射
    方式，將整個PCBA的影像呈現，在選擇要分析的位置，進行Cd
   、Pb、Hg、Cr、Br、Cl等六項元素的分析，可獲得250mm x 200mm
    的20μm以下高清晰度的光學影像。
4
 		 5

再以該光學影像可以直接精確指定測量位置，進行重疊掃描，可進行六項元素的高精度定量分析，從而可以判斷整片PCBA中六項有害物質的濃度以及分布範圍分布，以確認是否符合規範。

膜厚鍍層測厚儀在PCBA行業上的應用

日本精工Seiko膜厚鍍層測厚儀被廣泛的應用於電子產業表面電鍍，比如電子元器件，半導體IC封裝，PCBA，FPC,汽車零部件，五金工業，電器外殼，連接器,端子等在表面都會有電鍍層。不同的產品對鍍層及鍍層厚度的要求會有所不同，電鍍工藝的好壞會直接影響到產品的品質及生產成本，所以我們需要有相應的檢測儀器對我們的電鍍產品做厚度及電鍍工藝的檢測，以確保品質及降低生產成本。

螢光X射線用於膜厚鍍層測試的優點：

    X-ray屬於非破壞性測試，非接觸式檢測，沒有污染，可對成品進行無傷害測試，可進行多層合金測量，測試人員無需有專業知識，測試精度高，全電腦控制，定點準確度高，具有高生產力，高再現性等優點。

X射線膜厚鍍層測試儀特點簡介：
  • 能夠測量無鉛焊錫鍍層厚度與成分
  • 搭載中心搜索軟體
  • Z軸防衝撞功能
  • 雷射自動對焦
  • 測試報告自動生成
  • 自動測量軟體
  • 搭載薄膜FP法軟體
 6

SFT 9200系列X射線膜厚鍍層測試儀
特點說明:

1薄膜FP軟體, 可以對應於含無鉛焊錫在內的合金電鍍或多層電鍍的測量,應用範圍廣泛.
2自動測量,中心檢查,三維電動控制.XYZ平臺自動移動。
3防止衝撞功能
對於測量有高低差的樣品時,配置了為防止樣品和儀器衝撞自動停止功能..
4具備雷射自動對焦,可以進行精確的軸定位，輕輕按一下鐳射按鈕,就可自動進行對焦.
5檢測報告的自動生成軟體，測量資料與Word和Excel鏈結,自動生成報告和資料處理,簡單、快速地列印出來.
6底材補正,已知樣品補正
7測量室門自鎖功能
8儀器自診斷功能


SEIKO SFT9200系列儀器測試實例（IC引腳鍍層厚度檢測）：
裝置
 SFT9250 應用DEMO機 SFT9250 應用DEMO機 SFT9250 應用DEMO機
樣品號
1號樣品
 1號樣品 1號樣品
編號
 位置1 位置2 位置2
樣品圖片
 7
 		 8
 		 9
 
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
標準誤差
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
範圍
0.180
 0.000
0.110
 0.000
0.250
 0.000
　
報告分析：

     上述檢測樣品為PCBA上IC引腳，底材為銅，表面鍍錫，一共取3個點測試，結果發現第三個點的錫鍍層厚度平均值高于第一個點和第二個點的平均值，應該是產品制程所引起的。從測試數據上來看，每個點重復測試五次，測試數據的穩定性非常好，CV值小于1% 。

X射線膜厚暨鍍層測試儀器應用於PCBA上各部件膜厚分析具有下列優點：

1 XYZ軸自動定位，針對樣品選取不同的位置進行連續自動測量，可以對整個樣品鍍層做全面掃描，相對於一些需要手動定位的X螢光膜厚分析儀器比起來具有操作方便，節省時間，定位精準的優勢。特別是在測量一些微小樣品時，XYZ軸自動定位已經是必不可少的配備。

2 XYZ軸自動定位對樣品進行全面掃描還可以很輕鬆的檢測出樣品鍍層各部分是否均勻，產品制程上的不良一測便知，是產品品質管理的高效率武器。

3測試數據穩定性好，CV值小于1%，測試的重複性好，精準度高。對一些要求嚴格的做高端產品的產業來說，X射線膜厚暨鍍層測試儀器是唯一適合的檢測工具。

總結:

       隨著科技日新月異，高科技電子產品的生命週期也越趨短暫，電子垃圾的大量產生拌之而來的即是對我們人類生存環境的衝擊，所以除有害物質管理計畫外、建立產品回收系統與節能產品的設計，也是各大電子產品製造商持續關切的重點，因近年溫室氣體與氣候變遷的話題持續發酵，Greenpeace特地將溫室氣體產生量的資訊揭露及使用替代性能源也列入評分項目，由此可知，綠色產品的定義不僅是有害物質禁用此單項議題，考量產品生命週期，全面評估產品從生產、使用到廢棄，對環境及人類造成的影響，進而提升產品，才是真正的綠色產品!
X射線螢光元素分析儀(XRF) 檢測PCBA產品中RoHS及無鹵素規範主要元素含量，共包括Cd、Pb、Hg、Cr、Br、Cl等六項元素是目前普遍被電子產業接受的方式，另外X-ray屬於非破壞性測試，非接觸式檢測，沒有污染，可對成品進行無傷害測試，可進行多層合金測量，測試人員無需有專業知識，測試精度高，全電腦控制，定點準確度高，具有高生產力，高再現性等優點所以亦被廣泛的應用到電子產業表面電鍍的膜厚分析上，可在短時間內(<10秒)得到高精密鍍層厚度測試(誤差範圍<10%;測厚範圍0.001~100μm) !
　
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