金相分析方法與流程【2025】

金相分析是金屬及合金顯微結構分析常用的方法之一，也是確定相圖的關鍵工具之一，通過對樣品進行切割、鑲埋、研磨，在拋光的橫截面透過選擇性腐蝕晶界，通過顯微鏡觀察材料的截面形貌、晶粒、相組成、缺陷等特徵，從而推斷其三維成分結構。

金相分析隨著創新材料發展與先進製程技術需求，特別是半導體奈米與埃米材料、複合材料的應用日益增加，金相分析方法也必須要持續進步。

金相分析方法在先進製程技術發展的應用，包括微觀結構分析、製程參數優化、性能預測、故障分析等，讓金相分析在先進製程技術發展上不僅是一項檢測流程，更是優化先進製程不可或缺的工具。

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金相分析在全世界有多個國際組織和標準，以下是一些主要的國際組織和標準：

1.國際組織

(1)ASM International

ASM International這是全球最大的材料科學與工程師協會之一，專注於金相學及材料特性分析。

(2)International Metallographic Society (IMS)

IMS致力於推動金相學的藝術和科學，並促進材料及其結構的表徵。

(3)ASTM International

ASTM是一個國際標準組織，制定了許多與金相學相關的標準，如金相樣品的準備和硬度測試。

2.國際標準

(1)ISO 643

ISO 643是一個國際標準，用於鋼材的顯微組織測定，特別是肥力鐵(鐵素體)或沃斯田鐵(奧氏體)晶粒尺寸的測定。

(2)ISO 945

ISO 945這個標準涉及鑄鐵的顯微組織分析。

(3)ISO/TR 20580

ISO/TR 20580是一個關於金相試樣準備的國際標準，適用於光學和掃描電子顯微鏡的樣品準備。

這些組織和標準在全球範圍內被廣泛應用，為金相分析提供了統一的指導和規範，確保分析結果的準確性和一致性。

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金相分析中的主流方法是定量金相學（Quantitative Metallography），它通過數量化測量和統計分析材料的微觀結構，以定量描述材料的特性。這一方法的目的是將微觀結構的觀察結果轉化為可量化的數據，用以預測或分析材料的性能和行為。相比於傳統的定性觀察，定量金相學提供了更精確、更一致的數據，對於材料研究和品質控制具有重要價值。 定量金相學包含了多種測量和計算方法，通常包括以下幾個方面：

• ● 晶粒大小測量(Grain size measurement)
• ● 相含量測量(Phase content measurement)
• ● 孔隙率和夾雜物含量測量(Porosity and inclusion content measurement)
• ● 形態學測量(Morphological measurement)
• ● 晶界密度和分佈測量(Grain boundary density and distribution measurement)

1. 晶粒大小測量

晶粒大小是影響材料性能的關鍵因素之一。定量金相學透過測量晶粒的大小、形狀和分佈情況來分析材料的力學性能。例如，小晶粒通常能夠提高金屬的強度，這種關係可以用霍爾-佩奇（Hall-Petch）方程表示。常見的晶粒尺寸測量方法包括線性截點法、截線法和面積法等，這些方法可以將晶粒分佈轉化為數據，進行統計和比較。

2. 相含量測量

在合金材料中，不同的相（如肥粒鐵(鐵素體)、波來鐵(珠光體)、變韌鐵(貝氏體)等）會對材料性能產生不同影響。定量金相學可以通過影像分析來測量各個相在材料中的體積或面積百分比。例如，在雙相鋼中，控制肥粒鐵(鐵素體)和麻田散鐵(馬氏體)的比例可以優化其延展性和強度，而定量金相學提供了精確測量這些相比例的方法。

3. 孔隙率和夾雜物含量測量

孔隙和夾雜物是材料中的缺陷，會降低材料的強度和耐疲勞性能。定量金相學可以測量孔隙率（即材料中孔隙的比例）和夾雜物含量（如氧化物、硫化物等的數量和分佈）。這些數據能夠幫助研究人員評估材料的純度和均勻性，並提供材料製造過程中質量控制的依據。

4. 形態學測量

形態學（Morphology）分析是指對材料內部結構的形狀和排列方式進行定量描述，包括晶粒的形狀、相界的分佈、纖維方向等。例如，通過分析晶粒的形狀因子（如長寬比、圓度等）可以獲得晶粒的延展性數據，而相界的形狀和分佈可以影響材料的裂紋擴展行為。

5. 晶界密度和分佈測量

晶界是位於晶粒之間的區域，會影響材料的應變分佈和裂紋擴展路徑。定量金相學可以測量晶界的長度、密度及其分佈，這些數據在評估材料的韌性和抗裂性方面尤為重要。晶界越密集，通常意味著材料的抗裂性越好，因此在一些需要高強度和耐用性的應用中，晶界密度是重要的分析指標。

 

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金相分析的前處理與檢測流程不僅僅是物理操作，它還需要技術人員的經驗和技巧，以確保樣品的質量和分析結果的準確性。

正確的前處理與檢測流程能夠揭示材料的真實結構，並幫助預測其性能，這對於材料的質量控制、失效分析及新材料的研發都具有重要意義。

金相分析的前處理與檢測流程主要步驟，包含透過需求評估 → 夾具選擇 → 精密切割或精密鑽石切割 → 鑲埋(熱鑲埋或冷鑲埋) → 粗磨 → 細磨 → 一般拋光 → 最終拋光 → 腐蝕 → 顯微分析。

金相分析的前處理與檢測流程重要性，在於每一步的細緻操作和對材料特性的深刻理解，這樣才能確保最終的顯微觀察結果準確可靠。

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金相分析主要用於了解金屬材料或非金屬樣品的內部結構、性能和潛在問題。不同材料的觀察與檢測目標隨著應用領域的不同而有所差異，以下列出金相分析常見檢驗項目：

• ● 金相組織觀察(Metallographic Structure Observation)
• ● 鍍層觀察(Coating Observation)
• ● 腐蝕後觀察(Post-Corrosion Observation)
• ● 結構分析(Structural Analysis)
• ● R角角度分析(R-Angle Analysis)
• ● 表面汙染測試(Surface Contamination Testing)
• ● Pin腳密合度分析(Pin Contact Tightness Analysis)
• ● 焊接接合處分析與焊點評估(Weld Joint Analysis and Solder Point Evaluation)
• ● 缺陷分析(Defect Analysis)
• ● 複合材料檢測(Composite Material Inspection)
• ● 侵入物分析(Inclusion Analysis)
• ● 硬度測試(Hardness Testing)

1. 金相組織觀察

金相組織的觀察能揭示金屬材料或非金屬樣品的內部結構，進而判斷材料的性質。不同的材料會有不同的觀察目的：

(1)石墨

觀察石墨內部的形態與分佈，有助於深入了解材料的性質，並為其在不同應用中的性能優化提供依據。

(2)岩石

分析其礦物成分與結構，這在地質學和建築材料的應用中尤為重要。

(3)鋁

鋁的金相組織可揭示其金屬內部的晶粒結構，這對於航空與汽車等高強度要求的行業尤其重要。

(4)鑄鐵

觀察其內部組織的形態與分佈，可以用來評估金屬的韌性和強度。

2. 鍍層觀察

金相鍍層是提升金屬或非金屬材料表面性能的重要手段。金相鍍層的觀察有助於評估鍍層的厚度、均勻性及附著力，並了解鍍層材料與基底材料的結合程度。

針對套筒這類手工具，金相鍍層的品質直接影響其耐磨性和防腐性能。

3. 腐蝕後觀察

金相腐蝕的主要目的是讓樣品的內部結構得以清晰呈現，因為在未經腐蝕的狀態下，樣品表面通常光滑而反光，難以分辨微觀細節。腐蝕後的表面能夠揭示材料的晶粒形態、相界、組織變化等，這對於材料的性能評估、製程優化和缺陷分析非常重要。

(1)套筒

腐蝕後可清晰觀察到套筒材料的晶粒結構，這對於分析材料的強度和韌性具有重要意義。

(2)彈簧

金相腐蝕觀察可以幫助我們深入了解彈簧材料的內部結構。

4. 結構分析

金相結構分析主要針對材料的內部與外部結構進行評估。金屬材料或非金屬樣品結構分析包括：

(1) 被動元件與電感

這類電子元件的結構分析有助於確保其穩定性和耐久性。

(2)螺牙

螺紋結構分析能夠確保連接件的強度與精確度，避免在高壓下發生失效。

5. R角角度分析

R角，即圓角半徑，R角角度分析常用於連接器等金屬元件。金相R角分析有助於優化結構設計，確保連接器的接觸面積與強度，進而提升其可靠性。

6. 表面汙染測試

材料表面的潔淨度是影響其性能的關鍵因素，尤其是像鈦這樣的高性能金屬材料。金相表面汙染測試能夠評估材料表面是否受到環境或製程中的污染，從而確保材料的耐腐蝕性與生物相容性。

7. Pin腳密合度分析

對於電子零件來說，Pin腳的密合度而言。Pin腳密合度不良會導致電氣性能下降，甚至發生短路等問題。通過金相Pin腳密合度分析，可以觀察Pin腳與基板之間的接觸面是否均勻、穩固。

8. 焊接接合處分析與焊點評估

電子產品的焊接接合質量會直接影響其使用壽命與穩定性。對於電子零件的金相接合處分析和電路板的金相焊點評估，可以檢測焊點是否存在裂紋、空隙等缺陷，進而確保焊接質量，防止早期故障。

9. 缺陷分析

材料中的微小缺陷可能導致重大失效，尤其是在高精密應用中。對於如電阻等元件的金相缺陷分析，有助於確保其在長時間使用中的穩定性。

10. 複合材料檢測

複合材料的檢測技術日益重要，特別是對於碳纖維這類新型材料的應用。金相複合材料檢測可以揭示複合材料中的層狀結構與界面情況，確保其強度和耐久性。

11. 侵入物分析

侵入物是材料製程中的潛在污染源，對於像銅這類應用於高導電性要求的金屬材料尤為重要。金相侵入物分析能夠檢測出製程中引入的異物，從而確保金屬材料的純度與性能。

12. 硬度測試

金相硬度測試是評估金屬材料機械性能的重要手段之一。針對鋼珠的硬度測試，有助於判斷其耐磨性與承載能力，適用於高精密機械元件的性能評估。

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金相分析在先進技術產品研發過程中，通過金相分析的前處理與檢測流程，可以實現深入的微觀結構分析，幫助技術人員確保材料的完整性和產品的長期穩定性。這些金相分析前處理設備與檢測流程能進行細緻的結構觀察，有助於提升製程控制和材料選擇的精度，並增強產品的可靠性和性能。以下是金相分析在半導體、IC設計、封測、散熱、網通、電動車、手機等產業應用：

1.晶圓切割和層間缺陷分析

在半導體晶圓金相分析中，需保持晶圓內部結構完整以進行金相失效分析。金相前處理使用精細刀具（如金剛石刀片），搭配低速切割，並在冷卻系統輔助下進行切割，以避免熱損傷。切割後經鑲埋處理，再進行多階段研磨拋光，展現出層間的銅線、介電層和半導體材料界面，幫助檢查是否存在分層、微裂紋或異常氧化層。

2.特徵尺寸與微觀形貌解析

研磨和拋光後的樣品在電子顯微鏡下可以顯示細微的材料顆粒和晶粒邊界，特別適合用於研究奈米級材料的微觀特徵，幫助提高晶圓內IC導線的性能和穩定性。

3.金屬導線鍵合檢查

IC元件中的金屬導線需要穩定的鍵合。切割後通過冷鑲埋固定，進行精細研磨以減少表面變形，拋光後可以清楚看到導線的鍵合強度、邊界及金屬疲勞現象，便於評估接點可靠性。

4.薄膜層和介電層的穩定性

IC設計製造中的薄膜層結構對信號穩定性非常要求。使用研磨拋光並控制壓力和研磨速度，逐步去除表層材料，並通過拋光達到光滑無損的觀察表面，揭示薄膜和介電層的連續性及厚度分佈，避免信號干擾。

5.多層晶片間的界面鍵合

半導體封裝測試中的多層晶片疊層需緊密鍵合，避免信號衰減。金相精密切割確保各層完整分割，鑲埋後在拋光下觀察層間鍵合處，檢測結構中的孔隙、分層或接觸不良，特別是對不同材質界面的連接性分析。

6.散熱材料顆粒結構檢查

散熱材料（如金屬合金和陶瓷）內部結構的均勻性直接影響導熱性能。切割後鑲埋穩固，研磨拋光後觀察顆粒分佈和粒度，判斷其均勻性及顆粒間連接性是否足夠，避免導熱不均。

7.電流過載情況下的導體穩定性

電源中的導體材料需承受大電流過載。研磨拋光後能夠觀察導體結構中是否存在微小裂紋，避免材料在電流高負載時發生失效。

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