印制電路板的填充導(dǎo)通孔覆蓋銅異常改善

吳振龍 彭建國 冀明瑞

（珠海方正科技多層電路板有限公司-F7 交付中心，廣東 珠海 519175）

0 引言

隨著電子通信產(chǎn)品的快速發(fā)展，元器件的表貼化、小型化，產(chǎn)品的密度也不斷增加，功能也日益增強，對于印制電路板（PCB）產(chǎn)品也提出了更高的要求。除了使用的介質(zhì)材料逐步向低介電常數(shù)、低介電損耗的發(fā)展外，特殊設(shè)計如N+N結(jié)構(gòu)、背鉆、POFV工藝等應(yīng)用也越來越廣泛。

POFV（Plating Over Filled Via，電鍍?nèi)祝┕に嚰丛谕纂婂?、樹脂塞孔后，在樹脂上蓋帽鍍上銅的做法。POFV工藝具有減小PCB產(chǎn)品尺寸，降低層數(shù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，為大多數(shù)通訊類產(chǎn)品所使用。然而，POFV工藝對樹脂塞孔、沉銅、電鍍都有較高要求，POFV工藝通常以BGA（球刪網(wǎng)格陣列封裝）形式設(shè)計，用于電子產(chǎn)品芯片焊接，POFV蓋帽銅異常會影響產(chǎn)品整體的電氣性能和元器件的貼裝，對于下游客戶端屬于不可接收的缺陷。本文結(jié)合POFV工藝流程對POFV無銅問題影響因素進行分析，給出了蓋帽位漏鍍失效機理和改善方向。

1 異常類型

常規(guī)POFV工藝流程：……壓合→鉆孔→沉銅→板電→樹脂塞孔/固化/磨板→POFV沉銅→POFV電鍍→圖形轉(zhuǎn)移……

根據(jù)POFV常規(guī)工藝流程分析，常見的POFV覆蓋銅異常類型按照產(chǎn)生的來源可分為電鍍前和電鍍后兩類。

（1）電鍍前的有：①沉銅不良POFV無銅；②電鍍前處理咬蝕POFV無銅；③POFV覆蓋銅鍍不上。

（2）電鍍后的有：①POFV電鍍后藥水咬蝕；②POFV電鍍后磨板過度。

本文探討電鍍前①和③兩種對應(yīng)的“楔形”缺口和漸薄型POFV覆蓋銅異常。

2 異常分析

2.1 “楔形”缺口POFV無銅

2.1.1 缺陷原因

從異常板外觀分析，印制線路板兩面均有POFV覆蓋銅無銅問題，如圖1所示。切片分析發(fā)現(xiàn)部分外觀無覆蓋銅漏鍍區(qū)域的POFV銅厚偏薄，此外，覆蓋銅漏鍍與覆蓋銅漏鍍的POFV孔樹脂塞孔孔口兩邊均出現(xiàn)“楔形”微蝕線，對比POFV不良區(qū)域銅厚與楔形缺口深度，發(fā)現(xiàn)隨著楔形深度越深，楔形開口越小，POFV銅厚越薄，甚至完全無POFV銅，如圖2。

圖1 POFV切片圖

圖2 POFV無銅異常圖

針對切片分析結(jié)果，考慮POFV覆蓋銅異常與楔形缺口相關(guān)，為了探究楔形缺口產(chǎn)生源頭，對異常板工藝流程進行分析發(fā)現(xiàn)，此板流程為：……壓合→鉆孔→沉銅→板電→樹脂塞孔/固化/磨板→減銅→樹脂磨板→POFV沉銅→POFV電鍍→圖形轉(zhuǎn)移……

流程中與常規(guī)POFV工藝流程不同，在樹脂塞孔后有減銅，且減銅量約為30 μm，減銅量較大，由此初步鎖定楔形缺口因減銅所致。

2.1.2 異常重現(xiàn)

為了驗證楔形缺口為減銅引起，模擬測試樹脂塞孔后減銅30 μm，對比減銅前后POFV孔外觀發(fā)現(xiàn)，減銅后孔口有明顯的缺口；從切片分析發(fā)現(xiàn)，減銅后磨板前、后POFV孔樹脂已明顯突出，并且樹脂兩邊形成了明顯的楔形缺口，與異常板楔形缺口相似，如圖3所示，說明楔形缺口確實是因樹脂塞孔后減銅引起。

圖3 減銅前/后外觀與磨板前/后切片

為了驗證POFV覆蓋銅異常是否與楔形缺口，將減銅后的測試板沉銅后電鍍，切片分析，結(jié)果與異常板一致，表明POFV覆蓋銅異常為楔形缺口引起，且隨著楔形口深度越深，POFV銅厚越薄，甚至完全無POFV銅。

2.1.3 原理分析

在減銅過程中，樹脂邊緣的銅被減銅藥水不斷沖刷，藥水在樹脂邊緣的交換速度快，從而形成了楔形缺口，便出現(xiàn)了減銅后磨板前樹脂明顯突出現(xiàn)象。

根據(jù)模擬測試結(jié)果，因塞孔后減銅導(dǎo)致樹脂邊孔口楔形，楔形深度越深，沉銅后電鍍因楔形口近似高厚徑比的“盲孔”，已超過電鍍深鍍能力，因此電鍍的難度加大?！靶ㄐ巍比笨谙喈斢陔娐穲D中的滑動電阻器，楔形越深，電阻越大，電鍍的導(dǎo)電能力也就越差，當電阻過大沉銅層的導(dǎo)電效果變差，導(dǎo)致樹脂上鍍銅效果差或無法鍍上，便形成的以上的POFV覆蓋銅異?，F(xiàn)象。

2.1.4 改善方案

由于在PCB生產(chǎn)流程中減銅流程難以避免，為了防止因減銅導(dǎo)致樹脂邊楔形缺口測試了減銅后磨板+減銅+磨板的流程，但仍有輕微的楔形缺口，品質(zhì)無法保證。故在減銅量較大時采用蓋干膜減銅流程，減銅后退膜、磨板，確保樹脂邊緣不產(chǎn)生楔形缺口，結(jié)果如圖4所示。

蓋膜減銅流程：……樹脂塞孔/固化/磨板→外層干膜（前處理/貼膜/曝光/顯影）→減銅→退膜→樹脂磨板→POFV沉銅→POFV電鍍……

2.2 漸薄型POFV無銅

2.2.1 缺陷原因

漸薄型POFV無銅從外觀上無法與其他原因引起的POFV無銅區(qū)分開來，但從切片上分析發(fā)現(xiàn)，此種POFV無銅切片蓋帽位鍍層從孔邊緣向中間位置漸薄，部分位置鍍層不連續(xù)表現(xiàn)為缺鍍，呈現(xiàn)為漸薄型方式。

漸薄區(qū)鍍層呈非包覆狀向內(nèi)延伸，說明在電鍍過程中漸薄鍍層區(qū)仍有一層微薄的化學(xué)銅起到導(dǎo)通作用如圖5所示，與沉銅不良引起的POFV無銅現(xiàn)象不同，沉銅不良POFV無銅為圓頭型，而非尖頭（漸薄型）。以上分析考慮漸薄型POFV無銅為電鍍前處理異常咬蝕沉銅層所致。

圖5 POFV無銅外觀/切片

2.2.2 異常重現(xiàn)

為了驗證漸薄型POFV無銅為電鍍前處理異常咬蝕沉銅層導(dǎo)致，模擬測試除油缸Cu2+離子濃度1.2 g/L（管控＜0.6 g/L）情況下，測試沉銅后立即進電鍍，按正常生產(chǎn)時間在除油缸浸泡2 min，部分POFV孔沉銅層已被咬蝕，浸泡5 min的已全部無沉銅層；重新開除油缸正常只過除油和過除油+酸洗，POFV沉銅層未出現(xiàn)異常，但是在除油浸泡10 min后，POFV沉銅層已明顯被咬蝕，露出樹脂現(xiàn)象與除油缸Cu2+離子濃度1.2 g/L時浸泡2 min現(xiàn)象一致。

將測試板電鍍后切片分析，結(jié)果POFV無銅區(qū)域為漸薄型，表明電鍍前處理Cu2+離子濃度過高或設(shè)備故障導(dǎo)致浸泡時間過長均能使沉銅層被咬蝕形成漸薄型POFV無銅，如圖6所示。

圖6 前處理咬蝕后電鍍

2.2.3 改善方案

從以上的模擬測試結(jié)果可知，電鍍前處理對沉銅層有咬蝕作用，故在生產(chǎn)過程中沉銅后至電鍍前停留時間管控也同樣重要，避免因停留時間過長，沉銅層氧化產(chǎn)生氧化銅，后因氧化銅容易與酸反應(yīng)，導(dǎo)致POFV無銅。因此為了改善電鍍前引起POFV無銅，建議從以下幾個方面進行改善：

（1）提高沉銅速率，沉銅速率控制在0.4 μm以上；（2）確保沉銅后烘干效果，防止因烘干不足導(dǎo)致氧化；（3）沉銅至電鍍停留時間管控，依實際不同生產(chǎn)環(huán)境確定不同停留時間，避免停留過久氧化；（4）電鍍前處理定期更換和Cu2+離子管控，以及前處理藥水濃度匹配性。

3 結(jié)論

本文探究結(jié)果表明：“楔形”缺口型POFV覆蓋銅異常為樹脂塞孔后減銅量過大，在樹脂邊緣減銅藥水不斷沖刷，產(chǎn)生楔形缺口，并且楔形缺口越深，POFV覆蓋銅越薄，甚至出現(xiàn)POFV無銅，故減銅時需采用蓋干膜減銅，防止因減銅量較大導(dǎo)致楔形缺口引起POFV覆蓋銅異常。漸薄型POFV覆蓋銅異常通常為沉銅后停留時間過長，沉銅層氧化，電鍍前處理咬蝕導(dǎo)致，或者因電鍍前處理藥水Cu2+離子濃度偏高、設(shè)備故障在前處理浸泡時間太長，導(dǎo)致沉銅層咬蝕，漸薄型POFV覆蓋銅異常。建議通過：（1）提高沉銅速率，沉銅速率控制在0.4 μm以上；（2）確保沉銅后烘干效果，防止因烘干不足導(dǎo)致氧化；（3）沉銅至電鍍停留時間管控，依實際不同生產(chǎn)環(huán)境確定不同停留時間，避免停留過久氧化；（4）電鍍前處理定期更換和Cu2+離子管控，以及前處理藥水濃度匹配性等改善，避免POFV覆蓋銅異常。最后，對彭建國資工、冀明瑞工程師在本論文探究和撰寫過程中的支持和幫助，在此表示衷心的感謝！