PCB金属化孔镀层缺陷成因分析及对策

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     1 前言

　　金属化孔质量与多层板质量及可靠性息息相关。金属化孔起着多层印制线路电气互连的作用。孔壁镀铜层质量是印制板质量的核心，不仅要求镀层有合适的厚度、均匀性和延展性，而且要求镀层在288℃热冲击10秒不能产生断裂。因为孔壁镀铜层热冲击断裂是一种致命的缺陷，它将造成内层线路间和内层与外层线路之间断路；轻者影响线路断续导电，重者引起多层板报废。
　　目前，印制板生产中经常出现的金属化孔镀层缺陷主要有：金属化孔内镀铜层空洞、瘤状物、孔内镀层薄、粉红圈以及多层板孔壁与内层铜环连接不良等。这些缺陷的绝大多数将导致产品报废，造成严重的经济损失，影响交货期。

　　2 金属化孔镀层主要缺陷的产生原因及相应对策
　　我们首先简单回顾一下多层印制板的制造工艺过程。
　　下料 制板 蚀刻 黑化 层压
　　钻孔 去沾污及凹蚀处理 孔金属化
　　全板电镀 制板 图形电镀 脱膜
　　蚀刻 丝印阻焊 热风整平 丝印字符
　　本文将从钻孔工序、孔壁去树脂沾污及凹蚀处理工序、电镀及多层板层压工序等几个方面，分析金属化孔镀层的主要缺陷及产生原因，阐述如何优化工艺参数，进行严格的工艺及生产管理，以保证孔化质量。

　　2．1 钻孔工序
　　大多数镀层空洞部位都伴随出现钻孔质量差引起的孔壁缺陷，如孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等。由此造成孔壁镀铜层空洞，孔壁基材与镀层分离或镀层不平整。下面，将对孔壁缺陷的成因及所采取的措施进行阐述：

　　2．1．1 孔口毛刺的产生及去除
　　无论是采用手工钻还是数控钻，也无论是采用何种钻头和钻孔工艺参数，覆铜箔板在其钻孔过程中，产生毛刺总是不可避免的。孔口毛刺对于金属化孔质量的影响历来不被人们所重视，但对于高可靠性印制板的金属化孔质量来讲，它却是一个不可忽视的因素。
　　首先，孔口毛刺会改变孔径尺寸，导致孔径入口处尺寸变小，影响元器件的插入。其次，凸起或凹陷进入孔内的铜箔毛刺，将影响孔金属化过程中电镀时的电力线分布，导致孔口镀层厚度偏薄和应力集中，从而使成品印制板的孔口镀铜层在受到热冲击时，极易因基板热膨胀所引起的轴向拉伸应力造成断裂现象。
　　传统的去毛刺方法是用200(400号水砂纸仔细的打磨。后来发展到用碳化硅磨料的尼龙刷机械抛刷。但随着印制板技术的不断发展，9(18微米超薄型铜箔的推广应用，使印制板加工过程中的去毛刺技术也发生了很大变化。据报道，国外己开始采用液体喷砂研磨法来去除孔口毛刺。
　　一般来说，对于去铜箔厚度在18微米以上的覆铜箔层压板孔口毛刺，采用机械抛刷法是十分有效的，只是操作时，必须严格控制好刷辘中碳化硅磨料的粒度和刷板压力，以免压力过大和磨料太粗使孔口显露基材。用于去毛刺的尼龙刷辘中，碳化硅磨料的粒度一般为320(380#。
　　现代的双面去毛刺机共有四个刷辘，上下各半，能一次性将覆铜箔板两面的孔口毛刺同时去除干净。在去除同样一面的孔口毛刺时，两个刷辘的转动方向是相反的。一个沿顺时针方向转动，一个沿反时针方向转动，加上每个刷辘的轴向摆动，使孔口毛刺受到沿板面各个方向上刷板力的均匀作用，从而被彻底地除去。去毛刺机必须配备高压喷射式水冲洗段。
　　液体喷砂研磨法，是利用一台专用设备，将碳化硅磨料借助于水的喷射力喷射在板面上，从而达到去毛刺的目的。

　　2．1．2 孔壁粗糙、基材凹坑对镀层质量的影响
　　在化学镀铜体系良好的状态下，钻孔质量差的孔壁容易产生镀铜层空洞。
　　因为在孔壁光滑的表面上，容易获得连续的化学镀铜层，而在粗糙的钻孔孔壁上，由于化学镀铜的连续性较差，容易产生针孔；尤其是当孔壁有钻孔产生的凹坑时，即使化学镀层很完整，但是在随后的电镀铜时，因为有电镀层折叠现象，电镀铜层也不易均匀一致，在钻孔凹坑处，容易存在镀层薄，甚至镀不上铜而产生镀层空洞。

　　2．1．3 环氧树脂腻污的成因
　　我们知道，印制板钻孔是一个很复杂的加工过程，基板在钻头切削刃机械力，包括剪切、挤压、扯裂、摩擦力的作用下，产生弹性变形、塑性变形与基材断裂、分离形成孔。
　　其中，很大部分机械能转化为热能。特别是在高速切削的情况下，产生大量热能，温度 陡然升高。钻孔时，钻头温度在200℃以上。印制板基材中所含树脂的玻璃化温度与之相比要低得多。软化了的树脂被钻头牵动，腻在被切削孔壁的铜箔断面上，形成腻污。
　　清除腻污较困难，而且一旦在铜箔断面上有一定量的腻污，会降低甚至破坏多层板的互连性。

　　2．1．4 避免钻孔缺陷产生，提高钻孔质量的途径
　　孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等缺陷，可通过加强以下几方面的工艺、质量控制，得以去除或削弱，从而达到提高钻孔质量的目的。

　　2．1．4．1 钻头的质量控制
　　钻头本身的质量，对钻孔的质量起着极为关键的作用，要求碳化钨合金材料的粒度必须非常细微，应达到亚微级。碳化钨合金无疏孔能耐磨，钻柄与切削刃部分的直径公差，均在0(0．005mm范围内，整个钻部、钻尖及柄部同心度公差在0．005mm以内，钻头的几何外形无缺损，即在40倍放大镜下观察，应无破口。
　　一只好的钻头还应该具备另外一个特性，即对称性。钻头的两面在尺寸和形状上必须相同。对称性差会产生磨损钻头刃。为了保证钻头质量，必须对供货厂家严格选择，应从质量信得过的钻头生产厂家进货。并对钻头进货进行检验，不合格的产品不准用于生产。

　　2. 1．4．2 钻头的形状选择
　　钻头的主要形状，一般分为普通型及锥斜型、铲型和特殊型，对于小孔特别是多层板小孔，最好采用后三种，后三种的特点是刃带的长度比较短，一般为0．5mm左右，它们可以明显减少钻孔的发热量，减少沾污。

　　2. 1．4．3 钻头排沟槽的长度
　　钻头排沟槽的长度，对排屑是否顺利起着至关重要的作用。如果排屑的沟槽太短，钻屑无法顺利排山，钻孔的阻力增大，易造成钻头断裂，且易沾污孔壁。所以，一般情况下，钻头排屑槽的长度，应为所叠板厚(包括上盖板)加上钻头进入下垫板深度和的1．15倍，即应使排屑槽的长度，至少有15％部分留在板外。

　　2．1．4．4 控制钻孔的工艺参数
　　这里所指的钻孔工艺参数包括每叠板的块数、钻数／进给比。

　　2．1．4．5 钻头的寿命控制
　　由于每个工厂的情况都不完全一致，钻头使用的寿命也有所差异，应根据具体的实验结果确定。当孔的质量指标中，有一项己?下降到接近公差极限时，就需要更换钻头，换下去翻磨或报废。一般情况下，多层板允许的最大钻孔数为1500个孔，而且，多层板一般不翻磨钻头。

　　2．1．4．6 上盖板、下垫板的使用

　　2．1．4．6．1 上盖板的使用
　　钻孔时使用的上盖板，可以起以下几个方面的作用：
　　1)防止压力脚对板面的损坏；
　　2)防止入口面毛刺的产生；
　　3)改善孔径精度；
　　4)减少小孔断钻头的机率。

　　假若不使用上盖板，那么，钻头在穿透薄的铜箔后，钻头的某一边有可能会与玻璃布撞击，导致钻头的一边受到较大的切削力，因而钻头会发生倾斜，从而影响定位精度。而且，在穿透之后，钻头在退回时，受力不均衡，钻头易折断。上盖板一般可采用0．2(O．4mm厚的硬铝箔。

　　2．1．4．6．2 下垫板的使用
　　使用下垫板，可以防止钻头碰到工作台面；还可防止出口面产生毛刺。
　　下垫板除了要求平整外，还需要有一定的硬度，没有油污染，以防止偏孔毛刺和孔壁沾污。
　　美国层压板公司有一种波纹板下垫板，当钻头钻透很簿的铝箔后，在空气中高速旋转，当提钻时，由于文氏管效应，一股气流有效地冷却钻头，大大降低了钻孔温度。

　　2．1．4．7 钻头进入下垫板的深度控制
　　钻头进入下垫板的深度应该适度。下钻太深，使得排屑槽留于板外的部分小，不利于碎屑的排出，易堵塞孔，使钻头易于断在孔内。其次，钻得太深，有可能钻到钻机工作台上，使钻台损坏。另外，一般对1．5(1．7厚的垫板，为提高使用效率，降低生产成本，大多使用两次，两面各用一次，如果钻得太深，会使垫板钻穿，容易产生毛刺。对于大于0．6mm的钻头，下垫板钻入深度应为0．75mm；而小于0．6mm大于0．3mm的钻头，下垫板的钻入深度为0．6mm；而对小于0．3mm的钻头，可以在下垫板上垫一厚纸，进行试钻，以确定下钻的深度。这些参数一旦确定，将这些数据编入钻孔程序中。

　2．2 孔壁去树脂沾污及凹蚀处理工序

　　首先应该指出，凹蚀与去沾污是两个互为关联，但又相互独立的概念和工艺过程。
　　所谓凹蚀，是指为了充分暴露多层板的内层导电表面，而控制性地去除孔壁非金属材料至规定深度的工艺。
　　所谓去沾污，是指去除孔壁上的熔融树脂和钻屑的工艺。
　　显然，凹蚀的过程也是去沾污的过程。但是，去沾污工艺却不一定有凹蚀效应。
　　尽管人们选择优质基材、优化多层板层压及钻孔工艺参数，但孔壁环氧沾污仍不可避免。为此，多层板在实施孔金属化处理之前，必须进行去沾污处理。为进一步提高金属化孔与内层导体的连接可靠性，最好在去沾污的同时，进行一次凹蚀处理。经过凹蚀处理的多层板孔，不但去除了孔壁上的环氧树脂粘污层，而且使内层导线在孔内凸出，这样的孔，在实现了孔金属化之后，内层导体与孔壁层可以得到三维空间的可靠连接，大幅度提高多层板的可靠性。凹蚀深度一般要求为5(10微米。
　　孔壁去树脂沾污的方法大致有四种，即等离子、浓硫酸、铬酸及高锰酸钾去沾污。由于高锰酸钾去树脂沾污有较多优点：产生微小不平的树脂表面，不像浓硫酸腐蚀树脂产生光滑表面；也不像铬酸易产生树脂过腐蚀而使玻璃纤维凸出于孔壁，且不易产生粉红圈，这些都是高锰酸钾去树脂沾污的优点，故目前被广泛采用。
　　为使高锰酸钾去沾污及凹蚀处理获得均衡腐蚀速率，必须做好工艺技术管理及维护工作，具体是：

　　2．2．1 选用最佳工艺参数
　　以安美特公司溶液为例，其参数为：
　　1)溶胀剂Securiganth P：450(550ml/L，最佳500ml/L。
　　PH校正液：15(25ml/L，最佳23ml/L。
　　或氢氧化钠NaOH：6(10g／L，最佳10g/L。
　　工作温度：60(80℃，最佳70℃。
　　处理时间：5分30秒。
　　2)高锰酸钾KMnO4：50(60g/L，最佳60g/L。
　　氢氧化钠NaOH： 30(50g／L，最佳40g／L。
　　工作温度：60(80℃，最佳70℃。
　　处理时间：12分。
　　3)还原剂SecuriganthP：60(90ml/L，最佳75m1/L。
　　硫酸H2SO4：55(92g/L，最佳92g／L。
　　玻璃蚀刻剂：5(10g／L，最佳7．5g／L。
　　工作温度：50℃。
　　处理时间：5分。

　　2．2．2 每周测定一次高锰酸钾KMnO4、锰酸钾K2MnO4、氢氧化钠NaOH浓度，必要时，调整KMnO4及NaOH浓度。

　　2．2．3 可能情况下，坚持连续不断的电解，使锰酸钾K2MnO4氧化为高锰酸钾KMnO4。

　　2．2．4 观察KMnO4去树脂沾污后的印制板表面颜色，若为紫红色，说明溶液状态正常；若为绿色，说明溶液中K2MnO4浓度太高，这时应加强电解再生工作。

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      2．3 电镀工序

　　2．3．1 电镀前的板材处理??化学粗化
　　为了保证化学镀铜层与基体铜箔的结合力，在化学镀铜(沉铜)前，必须对铜箔表面进行一次微粗化(微蚀)处理，处理方法一般采用化学浸蚀，即：通过化学粗化液的微蚀作用，使铜箔表面呈现凹凸不平的微观粗糙面，并产生较高的表面活化能。
　　印制板镀铜工艺中常用的微蚀液有：过硫酸铵(NH4)2S2O8、双氧水H2O2及过硫酸钠(Na2)2S2O8三种体系。前者溶液不稳定、易分解，因而微蚀速率不易恒定；H2O2?H2SO4体系虽使用方便，甚至可以自动添加来调整浓度，但需用H2O2稳定剂及润浸剂，价格不低，且微蚀速率较低，一般为0．5(0．6μm／Min；而(Na2)2S2O8?H2SO4蚀刻液，微蚀铜速率较大，且较稳定，可以提供较合适的微观粗糙面，从而保证化学镀铜层热冲击不断裂。
　　要使孔壁铜镀层288℃热冲击10秒不断裂或不产生裂纹，微蚀液蚀刻铜速率必须达到0．7(0．9μm/Min，(Na2)2S2O8?H2SO4体系可以实现此目的。

　　工艺配方：
　　(Na2)2S2O8：60(80g/l，最佳70g／l。
　　H2SO4：15ml/L。
　　Cu2+：1(20g／l。
　　工作温度：30(50℃。
　　处理时间：2分。
　　1)每天生产前，对(Na2)2S2O8浓度进行分析，必要时调整。
　　2)每天生产前，测一次蚀刻速率，用18μm铜箔试片浸在蚀刻液工作槽中，记下铜箔腐蚀完时间，从而可以快速、简便地测定蚀刻速率，必要时补加(Na2)2S2O8。
　　3)溶铜量大于20g/l时，更换溶液。刚开缸时，蚀刻速率较小，可以适当增加(Na2)2S2O8浓度。

　　2．3．2 优化电镀工艺参数
　　对高密细线条、高层次(14(20层)、大板后孔径比(6(10：1)的小孔镀来说，最大的难点是：镀液在孔中难交换及电镀的均匀性、分散性能差。为此，必须优化电镀工艺参数。

　　1)选用低Cu2+、高H2SO4浓度的主盐成份，且H2SO4与Cu2+浓度比至少是10：1。
　　Cu2+：10(13g／l。
　　H2SO4：190(220g／l。
　　Cl-：30(50ppm。
　　[H2SO4]：[Cu2+]＝17(20：l
　　温度：22(26℃。

　　2)选用低的阴极电流密度和长电镀时间。

　　3)在保证镀铜液三种搅拌方式阴极移动、压缩空气搅拌、循环)的基础上，在运行杆上安装振动装置。
　　有了振动装置，阴极不仅有前后摆动，而且有上下振动，这就必然促进电镀液在小孔中的交换，从而提高镀液的分散性能，即使孔口与孔中心的镀层厚度差变小。
　　采用上述三点措施，大大提高了小孔镀层的均匀性和提高了深镀能力，避免了孔壁镀层薄甚至镀层空洞的产生，从而提高了小孔的孔金属化质量。

2．4 多层板层压工序

　　信息技术革命的发展，促进了印制电路层数的增加、布线密度的提高、结构的多样化及尺寸的允差减小，因而，层压工序成了多层板生产的关键。
　　层压工艺主要包括内层板的处理和层压两部分。其中，对多层印制板的孔金属化质量，起至关重要作用的主要有以下两个方面：

　　2．4．1 层压材料固化作用应完全
　　这里指的层压材料，主要指内层板单片和层压工序结束后的多层印制板。
　　1) 内层板单片在下料后，应根据单片厚度情况，控制每叠板的数量，水平摆置进行预烘处理；
　　2) 层压工序结束后的多层印制板，应进行后烘固化处理，且必须在钻孔工序前进行，不应放在钻孔后进行。
　　如果没有上述两道工序，层压板材料固化作用不充分，就容易产生环氧沾污，影响钻孔质量。且对固化不完全的层压板钻孔时，大量粘滞性很强的切屑会塞满钻孔的排屑槽内，无法排除，最终可能造成钻头折断。

　　2．4．2 优化层压工艺，减少粉红圈现象的产生
　　所谓粉红圈，是指通过孔壁与内层铜环的交界处，其孔环铜面的氧化膜已经变色，或由于化学反应而被除去，露出铜的本色(粉红色)的现象。
　　随着印制板层数的增加，内层铜箔与孔交接处剥离的可能性增加；随着孔径的减小，孔清洗的难度增加，化学物质沿孔壁各层交界处渗透腐蚀的可能性增加。所以，层数越多，孔越小，越会发生粉红圈现象。
　　粉红圈往往在印制板制作的后期才被发现，影响多层板的产品质量。首先，会影响多层板层间的结合力；其次，溶液顺着玻璃纤维的方向渗入，使得靠得很近的焊盘之间的绝缘电阻降低，严重时导致短路；此外，由于铜环接触面积变小，通常金属化孔所允许的小的瑕疵，如镀层鼓泡、空洞等，都可能导致孔线电阻增大，甚至断路。
　　在印制板生产过程中，内层表面处理、层压、固化、钻孔、凹蚀、化学沉铜、镀铜等工序，都有可能导致粉红圈的产生，关键在于黑化层与基材结合是否牢固，以及黑化层耐腐蚀能力的强弱。印制板在生产过程中，要经受垂直的机械冲击力和水平的化学浸蚀力，故层间要有足够的结合力，才能抵挡住这两种作用的危害。层间抗剥离强度低、黑化层耐腐蚀能力差，是产生粉红圈现象的主要原因。

　　1) 提高黑化层与基材的结合力。
　　对铜表面进行黑化处理，使其表面生成一层氧化物(黑色的氧化铜或红色的氧化亚铜或两者的混合物)，以进一步增加比表面，改善铜箔与基材的结合状况。
　　优化黑化工艺参数，黑化层与基材的结合能力与黑化工艺、氧化物的晶体结构、氧化物层的厚度等因素有关。

　　2) 提高黑化层耐腐蚀能力。
　　可通过减小氧化层厚度的方法。用机械方法去掉一层，也可用化学还原方法。可供选择的还原剂有：甲醛／氢氧化钠、过磷酸钠、硼氢化钠等。黑化层经还原后，不仅抗剥离强度增加而且抗酸蚀能力也增强。

2．5 产生孔金属化镀层缺陷的其它几种因素及相应对策

　　2．5．1 由气泡存在所造成的金属化孔镀层空洞。
　　总的来说，孔中气泡的存在，可能阻碍镀液或活化液层积。最终造成金属化孔内镀层空洞。气泡的裹入，有外部引入和内在产生两种。

　　2．5．1．1 气泡引入途径：
　　外来气泡的引入，有可能是在板子进入槽中时，或振动、摇摆时进入通孔中的。
　　固有气泡的引入，是由化学沉铜液中，副反应产生氢气引起：
　　2HCHO十2CU2+十4OH?→Cu十2HCOO?十2H2O十H2↑
　　或由电镀液中，阴极产生氢气或阳极产生氧气所引起的：
　　阴极副反应：2H++2e→H2
　　阳极副反应：2H2O -4e→O2↑+4H+

　　2．5．1．2 气泡引起的金属化孔镀层空洞特征：
　　气泡引起的金属化孔镀层空洞，常常位于孔的中央，通过金相切片可见其呈对称分布，即对面孔壁表面有同样宽度范围内无铜。

　　2．5．1．3 气泡空洞可能产生的工序：
　　气泡空洞可能产生的工序主要有化学沉铜、全板电镀和图形电镀工序。

　　2．5．1．4 避免气泡进入孔中的方法：
　　最有效的避免气泡进入孔中的方法为振动和碰撞。同时，增加板面间隔，增加阴极移动距离也十分重要。
　　化学沉铜槽中空气搅拌和活化槽撞击或振动，对避免气泡进入孔中作用不大。此外，增加化学沉铜润湿性，前处理槽位避免气泡也十分重要。
　　镀液的表面能量与氢气气泡在跑出孔中或破灭前的尺寸有关，显然希望气泡在变大前排除了孔外，以免阻碍溶液交换，造成孔中镀层缺陷。

　　2．5．2 由有机干膜所造成的金属化孔镀层空洞。

　　2．5．2．1 有机干膜所造成的金属化孔镀层空洞特征：
　　有机干膜造成的金属化孔镀层空洞，往往位于孔口，即位于离板面较近的位置，大约50(70μm宽，离板面50(70μm。边缘空洞可能位于板一面或两面，可能造成完全或部分开路。

　　2．5．2．2 造成干膜抗蚀剂入孔的原因：
　　对于被有机干膜覆盖的孔，孔中气压比大气压要低2O％，贴膜时，孔中空气热，当空气冷到室温时，气压降低。因而，压差导致抗蚀剂慢慢流入孔中，直至显影。
　　主要有三种因素导致干膜抗蚀剂流动的速度和深度，即：贴膜前孔里有水或水气；高厚径比小孔；贴膜与显影时间太长。
　　水气停在孔中是其中的主要原因，水分可以降低抗蚀剂粘度，使其较快流入孔中。高厚径比小孔较易发生空洞问题，这是由于这种孔较难干燥。小孔中的抗蚀剂也较难显影。显影前时间较长也使更多抗蚀剂流入孔中。

　　2．5．2．3 孔口空洞成因：
　　由于抗蚀剂进入孔内，显影时未去掉，它阻碍铜、锡电镀。当抗蚀剂在去膜时去掉后，下部的铜层被裸露出来，因而，一经蚀刻，铜层被蚀刻掉，形成了镀层空洞。

　　2．5．2．4 避免孔口空洞产生的措施：
　　避免孔口空洞产生的最佳及最简单的办法是，在表面处理后增加烘干程度。孔若干燥，不会发生孔口空洞。再长的放置时间和显影不佳，也不会造成孔口空洞。
　　增加烘干后，尽可能使贴膜与显影间的放置时间短，但要考虑稳定问题，若发生以下情况，孔口空洞可能会发生(以前没有)：
　　1)新的表面处理设备及干燥设备安装后；
　　2)表面处理设备干燥段功能失常；
　　3)生产高厚径比小孔板；
　　4)贴膜与显影时间长；
　　5)抗蚀剂变化或换厚的干膜；
　　6)真空贴膜机压差更大。

　　2．5．3 由其它因素所造成的金属化孔镀层空洞。
　　固态物(尘、棉)或有机粘污的存在，同样会阻碍镀液或活化液层积，最终导致孔金属化镀层空洞。

　　3 结论

　　多层印制板金属化孔镀层缺陷的成因，控制造工序，可追溯到钻孔工序，也可以在镀铅／锡时才发生。有时，一种镀层缺陷，常常是多种工艺条件相互影响而产生的，它们可能同时作用，也可能有先后顺序。因而，沿工艺流程仔细分析，有必要时，采用金相切片技术，有可能准确地找到根本原因。在此基础上，通过优化工艺参数，进行严格工艺及生产管理，才能达到提高金属化孔镀层质量的目的。