| [摘要]：分析了金属化孔镀层的主要缺陷及产生原因，从各主要工序出发，提出了如何优化工艺参数，进行严格的工艺及生产管理，以保证孔化质量的方法。 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0.2～0.4mm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。 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 + 2Cu2++ 4OH- →Cu + 2HCOO- + 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20%，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。 |
