多層板孔內(nèi)空洞缺陷的改善

張仁軍 李 波 楊海軍 胡志強

（四川英創(chuàng)力電子科技股份有限公司，四川 遂寧 629000）

0 前言

隨著當前PCB技術(shù)的不斷發(fā)展與升級，高縱橫比深孔電鍍越來越多。由于深孔電鍍高縱橫比的特點，化學銅工藝流程容易出現(xiàn)孔內(nèi)空洞缺陷。本文針對多層電路板在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)孔內(nèi)空洞問題進行探討，并針對不同孔內(nèi)空洞類型進行研究與改善，以應對后續(xù)在高縱橫比PCB產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)﹄娀瘜W工藝流程所帶來之挑戰(zhàn)。

1 印制板沉積銅原理

孔金屬化（PTH）是通過化學方法的前處理及其對應的調(diào)整在環(huán)氧樹脂、玻璃纖維布等絕緣基材上沉積一層薄銅，為后續(xù)的電鍍（一銅、全板電鍍或圖形電鍍）流程提供導電介質(zhì)層，從而滿足孔之導通作用。

我公司多層板及中高Tg、厚銅板化學銅主要工藝流程為：

上板→膨松→雙水洗→除膠渣→回收水洗→雙水洗→預中和→雙水洗→中和→雙水洗→除油→雙水洗→微蝕→雙水洗→預浸→活化→雙水洗→加速→雙水洗→化學銅→雙水洗→下板（常規(guī)雙面板不需要除油前的流程）

其中，涉及的主要化學反應如下所示：

活化：Pd2++2Sn2+→[PdSn2]6+→在溶液中反應形成不穩(wěn)定絡合物

[PdSn2]6+→Pd+Sn4++Sn2+→大部分絡合物被還原成金屬鈀

SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl↓+HCl→活化后水洗時SnCl2水解生成堿式錫酸鹽沉淀

隨著SnCl2沉淀，Pd核也一起在活化的基材表面沉積

沉銅：HCHO+OH-→H2↑+HCHOO-→Pd作為催化劑時，該步反應才能得以進行

Cu2++H++2OH-→Cu+2H2O→銅離子在堿性條件下被還原成金屬銅

2 PTH孔內(nèi)無銅產(chǎn)生原因分析及改善措施

由于深孔的縱橫比高，導致在化學銅的過程中，孔內(nèi)藥水交換困難，易出現(xiàn)孔內(nèi)空洞缺陷。鑒于PCB因化學銅導致的孔內(nèi)空洞癥狀與形態(tài)各異，需工藝工程師在顯微鏡下仔細觀察切片與分析，才能辨別出造成該缺陷真正原因。以下分為四種類型進行探討。不同PTH類別孔內(nèi)無銅切片形態(tài)表見圖1所示。

2.1 藥水異常類

2.1.1 空洞現(xiàn)象

藥水異常所造成PTH孔內(nèi)空洞主要表現(xiàn)為孔內(nèi)星點狀電鍍不良，主要原因為沉銅背光不良，化學鍍銅層不連續(xù)，后續(xù)電鍍時有化學鍍銅層位置在電流作用下電鍍金屬層會逐層包裹化學銅層，如圖2所示。

2.1.2 產(chǎn)生原因（主要從藥水控制方面進行分析）

（1）活化劑中鈀離子含量不足，導致在活化的過程中無法形成足夠的膠體鈀沉積在基材表面，在后續(xù)沉銅過程中，缺少鈀離子催化從而導致孔壁沉銅不良，引起孔內(nèi)無銅不良。

（2）活化缸循環(huán)系統(tǒng)存在漏氣，缸體藥水內(nèi)滲入微小氣泡，引起缸內(nèi)膠體鈀水解，使活化缸喪失活化功能，孔內(nèi)無法滿足沉積銅層的要求。

（3）化學銅槽液pH值過低，由于化學沉銅需要在強減性條件下才能進行，pH值過低導致甲醛還原能力下降，影響沉銅反應速率，造成沉銅不良。

（4）沉銅缸內(nèi)絡合劑不足，導致部分銅離子生成氫氧化銅沉淀，銅缸內(nèi)沒有足夠的銅離子進行反應沉積到孔壁內(nèi)側(cè)，導致沉銅不良發(fā)生。

（5）除上述概述之外，銅槽內(nèi)的負載過大、過小也是做一重點監(jiān)控進行，過大的負載會使其反應劇烈，各藥水組分添加頻繁，沉積在玻纖位置的銅層容易爆裂脫落；過小的負載會使其藥水的活性不能滿足反應之需要的載體，活性不足導致背光不良。

圖1 不同PTH類別孔內(nèi)無銅切片形態(tài)表

圖2 藥水異常導致的化學銅沉銅不良

2.1.3 改善措施

在化學銅生產(chǎn)過程中，對于活化缸及沉銅缸，應保證缸內(nèi)各個藥水組分別維持在正常的工藝濃度范圍內(nèi)，以保證化學反應的有序進行。除此之外，缸內(nèi)pH及溫度等也會影響孔壁的沉積銅效果，應持續(xù)對其監(jiān)控，建議每班化學銅槽的分析頻率每班至少三次進行控制，同時配套各組分自動定量添加系統(tǒng)來衡定各藥水的比例。

2.2 特殊設計類（如孔徑0.2 mm&AR=20:1）

2.2.1 空洞現(xiàn)象

此類異常產(chǎn)生原因為孔內(nèi)中部位置沉銅藥水浸潤交換不足，孔內(nèi)層化學鍍層薄。在后續(xù)電鍍過程中電鍍銅層無法有效沉積。所造成孔內(nèi)無銅形態(tài)主要表現(xiàn)為缺陷處明顯二銅包裹一銅，同時缺陷處存在內(nèi)層銅被電鍍加厚的現(xiàn)象（因部分內(nèi)層與同網(wǎng)路其它孔相連導電，電鍍過程中在電流作用下會被加厚包裹），如圖3所示。

2.2.2 產(chǎn)生原因

對于此類化學銅產(chǎn)品，縱橫比往往很高。在這種特殊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)下，孔內(nèi)藥水的交換速率與貫孔能力下降明顯，導致化學銅過程中，孔的中心位置沉銅層往往不夠致密且粗糙，使其后續(xù)的電鍍銅層通電后的電阻過大，無法形成電鍍銅銅離子的轉(zhuǎn)換。

在這種情況下，板內(nèi)孔存在如圖4所示情況，則在化學銅后的過程中，內(nèi)層銅A處因縱橫比過大，沉銅層相比于B處不夠致密，導致在板電通電后電勢高于B處，因A處通過內(nèi)層銅與C相導通，故雖然B較C更接近孔口，但電勢仍較高，吸收銅離子能力小于C點。深孔電鍍在板電過程中，孔內(nèi)溶液交換速度較慢，孔內(nèi)銅離子相對較少?；谝陨蟽牲c，在板電過程中，A處在原本銅離子相對較少的情況下，因電勢原因吸收銅離子能力再次下降，直接導致其電鍍銅層厚度不足，A處在后續(xù)工序（外層線路及二銅）前處理微蝕過程中因損銅造成孔內(nèi)開路，從而引起孔內(nèi)無銅缺陷（見圖4所示）。

2.2.3 預防措施

針對此類問題，可以適當調(diào)整沉銅及板電參數(shù)，以保證A處銅厚足夠，避免在后續(xù)流程中損銅開路。主要方法有：

（1）可以將原沉銅時間延長或在完成一次沉銅后，（一銅→預浸→活化→加速→化學沉銅）將板從預浸缸再次進板沉銅，保證沉銅層厚度；

圖3 特殊設計孔內(nèi)空洞示意圖

圖4 孔內(nèi)沉銅厚度差異示意圖

（2）一次沉銅后，小電流短時間板電（電鍍參數(shù)0.9 A/dm2×30 min），板電后從除油缸（除油-微蝕（手動控制5～10 s）→預浸→活化→加速→沉銅）進板再次進行沉銅，然后在板電將孔銅加厚至要求的厚度；

（3）在沉銅條件不變的情況下，適當降低板電電流密度，延長電鍍時間，保證孔內(nèi)銅離子足夠形成延伸式覆蓋的電鍍銅層。

2.3 孔內(nèi)殘存異物類

2.3.1 空洞現(xiàn)象

生產(chǎn)操作類造成PTH孔內(nèi)無銅主要為設備異常及違規(guī)操作，切片特點主要為孔內(nèi)殘存異物、孔內(nèi)缺陷處二銅包裹一銅等，其缺陷示意如圖5所示。

2.3.2 產(chǎn)生原因

過程控制所造成孔內(nèi)無銅主要為沉銅前去毛刺和一銅過程中活化及沉銅缸設備異常所造成，主要異常有：鉆孔排削異常，致使孔內(nèi)鉆削殘留于孔內(nèi)，另外PTH前去毛刺段后處理的高壓水洗異常，導致孔內(nèi)鉆屑銅粉等異物無法及時排出，造成后續(xù)在PTH過程中孔內(nèi)藥水無法正常交換，從而導致孔內(nèi)沉銅不良。此外，在PTH過程中，活化缸及沉銅缸內(nèi)振動及氣頂異常停止或振動幅度頻率不合格，導致氣泡藏于孔內(nèi)，也會造成孔內(nèi)氣泡無法及時排出，影響孔內(nèi)藥水交換，導致兩端對稱式的沉銅不良，從而引起孔內(nèi)空洞缺陷。

2.3.3 改善措施

針對高縱橫比產(chǎn)品，優(yōu)化鉆孔參數(shù)與檢查鉆刀質(zhì)量，在PTH及前處理去毛刺過程中務必保證設備處于正常工作狀態(tài)，以保證孔內(nèi)清潔和足夠的藥水交換。

在前處理去毛刺可采用正常去一次毛刺后再次進行高壓搖擺水洗，對產(chǎn)品孔內(nèi)進行再次清潔，此外，可在加工高縱橫比產(chǎn)品時適當提高PTH活化缸及沉銅缸電振幅度，將原一銅振幅30～60 mm/s提高至50～80 mm/s（在設備承載能力范圍內(nèi)），從而保證在PTH過程中，降低孔內(nèi)氣泡的存在。

2.4 漸薄型孔無銅

2.4.1 空洞現(xiàn)象

圖5 過程控制孔內(nèi)空洞示意圖

圖6 漸薄型孔無銅

如圖6所示，一銅銅厚正常，常規(guī)電性能測試其導通電阻無問題，但因局部孔銅偏薄，在裝機使用過程中因其導體較少，發(fā)熱高，易因溫度過高熔斷。

2.4.2 產(chǎn)生原因

孔內(nèi)存在抗鍍類異物或污漬、圖電除油除污效果不佳，圖形電鍍時鍍銅層延伸時受阻，導致電力線受影響而不能繼續(xù)向孔中延伸，使其鍍銅時出現(xiàn)抗鍍現(xiàn)象。同時，因電鍍錫保護層時因錫光劑的較強走位性，此位置能鍍上一層比正常位置薄的抗蝕錫層。在蝕刻過程中因錫逐漸緩慢被咬蝕，在底銅較薄生產(chǎn)板上微切片表現(xiàn)為一次銅層完整，無圖電銅層或圖電銅層漸薄。當需蝕刻底銅較厚時，微切片表現(xiàn)為孔中圖電及板電鍍銅層呈現(xiàn)沙灘狀漸薄。

2.4.3 改善措施

定期對線路顯影段的水槽進行保養(yǎng)，提高顯影水槽的過濾能力，同時及時更換顯影段之行輥、壓輥，保障顯影的板面與孔內(nèi)沖洗干凈，同時提升二銅之除油藥水的能力（浸泡時間、溫度、濃度等的調(diào)整）也是改善此類阻鍍式孔內(nèi)空洞的方法之一。

3 結(jié)語

伴隨產(chǎn)品的發(fā)展及市場需求，客戶對孔內(nèi)銅層的要求越來越嚴格，高縱橫比的板材引入是必然趨勢，孔內(nèi)鍍銅品質(zhì)面臨的挑戰(zhàn)也越來越大。工藝工程師們?yōu)榱烁冒盐諉栴}的關(guān)鍵點，對各相關(guān)制程的參數(shù)進行有效控制，建立完整的系統(tǒng)的分析、解決及預防措施，可改善孔內(nèi)無銅問題。