本次運用分析儀器：光學顯微鏡（Optical Microscope，OM）

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM） 3D雷射共焦輪廓儀 (3D Laser Confocal Profile)

CP橫截面離子束切割 (Cross-section Poilsher，CP)

　　我們都知道充電線與USB這類東西必須有耐插拔動作的特性，因此一定也會有磨擦的問題！Figure 1a.為此次分析的Lightning連接器照片。一般我們用眼睛只可以看到光亮的八條金手指，但真實的表面又是如何呢？圖b&c為局部光學顯微鏡(OM)逐步放大的影像，放大區域由紅色方框標示。透過OM可以清楚觀察到金手指表面磨損概況，是不是跟眼睛看到的差很多？好多刮痕！

　　利用OM鎖定好最右邊的金手指做為這次的分析目標，我們就可以把樣品放入 掃描式電子顯微鏡(SEM) 做進一步的放大觀察。從圖e到f為SEM分析照片(照片方向與OM照片有轉90度的差異)，刮痕細節在SEM觀察下無所遁形。

Figure 1. 本次分析樣品：Lightning連接器外觀、OM及SEM觀察照片。

　　現在是個人人脫離不了智慧型手機的時代，利用APP傳遞文字、聲音、以及圖片處理日常事務已經是家常便飯。除了手機扮演最重要的腳色外，還有些大家很容易遺忘但卻缺一不可的幕後英雄，如充電線…等連接性質的配件。

　　充電線和USB連接線很類似，接頭裡面都有一根根金色長條型的圖案，我們可以稱它為金手指、Pin腳…等，主要負責充電、識別與數據傳輸等重要功能！到底這小小的金手指裡面藏有多大玄機，今天請大家跟著汎銓MSS一起來看看它的細部結構。 順便也讓大家了解材料分析在我們周遭生活上扮演了什麼重要的角色!

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方法二：使用3D雷射共焦輪廓儀分析。經過儀器掃描解析後我們可以清楚看到表面高度分布狀況。哇！看這個圖是不是像一個大家所熟悉的地形圖呢！配合左上角的顏色高度表，我們可以判斷這分析面積中，高低差異最大的位置就在紅圈標示處，也可能是刮痕最嚴重的區域。

　　通過SEM我們可以更輕鬆的看到金手指表面的刮痕細節，像是高低起伏(所謂的表面粗糙度 roughness)。疑！那怎麼去看這個刮痕的到底是高還是低啊？以下幾個方法算是分析中常用的。

方法一：利用SEM內建功能將試片傾斜(tilt)一個角度去觀察(Figure 2)。

Figure 3. 左圖為3D雷射共焦輪廓儀分析出來的樣品表面形貌圖，右圖為地形圖示意圖。

Figure 2. 透過SEM傾斜觀察，我們可以清楚看到刮痕附近表面有些微下凹的現象。

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　　前面提到的兩個方法，是在不破壞試片的狀態下的分析作法。接下來這個方法我們可以先想像一下切蛋糕的畫面，一個完整的蛋糕經過切割後我們就可以看到它完整的橫截面(cross-section)。

Figure 5. 蛋糕橫截面示意圖。

Figure 4. 利用3D雷射共焦輪廓儀可以觀察到表面高低落差的高度及分佈狀況。

　　為了更清楚觀察刮痕狀況，我們再沿著紅色虛線做高度分布曲線分析，可以確認金手指磨損情形最嚴重的位置就在藍色箭號標示處。通過這種表面分析量測工具，是不是又對這個試片的表面狀況有更清楚的了解了呢！

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　　你以為觀察微結構只是我們能做的分析嗎?那你接下來可要張大眼睛看看我們MSS另一項絕活：化學成分分析。利用SEM機台內搭載的能譜儀(EDS, Energy Disper-sive Spectrometer)，樣品微區成分元素種類與含量可以清楚地被解析出來 (Figure 7)

。這樣，金手指裡面到底是由什麼材料組成可都被我們看光光囉！

Figure 6. 樣品表面與橫截面的對應位置 。

　　所以聰明的你應該猜到我們要做什麼了吧？！ 沒錯！就是把剛剛的金手指切開來，看它的橫截面囉！

方法三：橫截面觀察，這次用的是橫截面離子束切割機 (Cross-section Polisher, CP) ，它就像是切蛋糕的那把刀。經過前面SEM(Figure 6a)及3D雷射共焦輪廓儀(Figure 6b)分析後，我們把樣品的最低點做為這次橫截面觀察目標，再順便看看一條金手指裡頭還藏有哪些結構。圖a中的紅色虛線就是要切開的地方，截面的SEM照片則呈現在圖c-e。天啊!這些看似簡單的金手指，其實內部藏有不少結構。

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Figure 8.MSS特殊蝕刻前後的比較圖。

Figure 7.利用SEM/EDS可以分析出樣品橫截面各層材料的元素。

　　接著針對截面局部放大，原本以為只有一層的鎳磷合金層(Ni-P)，我們隱約看到更多層次(Figure 8.左圖)！透過MSS特殊蝕刻(stain)，能使不同材料識別變清楚(右圖)。這樣做會讓量測分析的準確性大幅提升！這個分析可以看出各層金屬厚度是不是有達到製造標準，也關乎到產品的品質，例如耐用度、導電性…等。花了錢買一條高品質的充電線可以用很久，是不是有賺到的感覺啊？

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金Au鎳磷合金Ni-P鎳Ni銅Cu

Figure 10. 離子影像與電子影像的差異圖。

Figure 9. 從前面的EDS分析結果我們可以得知Au和Cu中間夾著一大層Ni的材料，但比較靠近表面的Ni中還有P混合在裡面，這就是Ni與Ni-P在SEM影像上有兩種不同顏色對比的小秘密！

　　我們再針對下方銅層去放大觀察金屬晶界/晶粒狀況。傳統分析方法會使用所謂的離子束影像(I-beam image)來判斷。用此方法，影像上確實可以清楚地呈現銅的晶粒分佈狀況， 但放大倍率卻只能到54 KX(Figure 10a)； 再者離子束屬破壞性分析，拍攝愈久晶界和晶粒型貌就愈受損。 MSS利用SEM再加上特殊E-beam拍攝方法(圖b-e)使晶粒影像拍攝品質提升， 除了一樣清楚地呈現銅的晶粒分佈情況外，還可以大幅提高放大倍率至350 KX，即使在晶界或晶粒內部微米級的析出物(紅色箭頭處)都能被原汁原味的呈現。

　　除了前面提到的金屬厚度的把關，還有更細節地方可以看到金屬原料在不同冶金加工後的結果是否與設定值吻合。

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Figure 11. SEM /EDS分析可以看到製程中殘留的particle(紅色箭號標示)，利用EDS可以分辨出此particle為Ni/Si元素。

　　以上的分析對於金手指或印刷電路板等電子相關產業是一個很重要的檢測方法，可以確保產品從製造到最終成品的設定規範正確無誤。因此MSS團隊間接也為一般消費大眾做了一個商品品質把關的守護神呢！

　　這次的分享就到這裡，有沒有讓大家更貼近材料分析在做些什麼呢？而 MSS在大家日常生活裡的小細節上又扮演了什角色呢？歡迎大家一起討論唷。

那我們怎麼知道析出物是什東西呢？還記得可以用什麼做分析可以幫我們了解樣品上可能存在的元素嗎？ 叮咚叮咚~ 答對囉！ 就是SEM /EDS元素分析。

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