王芝賢

（中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

1 前言

傳統(tǒng)PTH工藝已經在印制板行業(yè)廣泛使用，但隨著行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)PTH工藝面臨諸多挑戰(zhàn)，面對越來越多的新材料，越來越高的質量要求，任何一家印制板企業(yè)在這種形勢下，都面臨著設備轉型、工藝改進和配方優(yōu)化等問題。本文就是在這種形勢下，提出一種在不改變設備條件、溶液體系的前提下，通過調整原有工藝和溶液配方來實現(xiàn)轉型的方法。實驗表明，這是一種有前途的改進方法。

2 背景

2.1 問題

近年來，交付用戶的印制板產品在焊接后或高低溫試驗后出現(xiàn)孔壁拉脫現(xiàn)象，導致報廢，造成用戶抱怨，產品進度拖延。通過金相切片觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋處都發(fā)生在鍍銅層和孔內銅環(huán)間。

2.2 原因

使用安美特PTH HC系列藥水對中Tg（S1141，140 ℃）基板進行孔金屬化多年，一直未出現(xiàn)異常狀況，近期更換高Tg（S1170，175 ℃）基板后，便頻繁發(fā)生多層板孔壁微裂問題，在加強除膠條件（兩次除膠）后，仍然沒有明顯改善，我們對缺陷處進行SEM和EDX 分析，沒有發(fā)現(xiàn)特別異常元素或雜物。

經過統(tǒng)計歷史故障發(fā)現(xiàn)：發(fā)生孔壁微裂的板子都是在新配化銅槽當天到第三天期間生產的，后期所做的板極少發(fā)生孔壁微裂。部分板子在熱風整平焊錫后的切片分析發(fā)現(xiàn)孔壁微裂，部分在熱沖擊（先烘烤130 ℃，4 h，漂錫一次，288 ℃）后發(fā)現(xiàn)孔壁微裂。有部分從用戶端反饋信號不通現(xiàn)象，切片分析為內聯(lián)異常。

從故障現(xiàn)象進行分析，判斷為印制板耐熱性問題，理論上分析與印制板耐熱性有關的過程為：層壓、鉆孔和孔金屬化三個過程，其中孔金屬化為關鍵影響因素。針對這三個過程，設計實驗方案加以驗證。

3 實驗

3.1 層壓實驗

3.1.1 目的

通過研究印制板不同后固方式對層壓后Tg溫度變化的影響，得出一種樹脂受熱后回縮最小的后固方式，并通過實驗驗證不同后固方式對孔壁裂紋的影響。

3.1.2 過程和結果

用中Tg板（常溫材料）和高Tg板（高溫材料）分別制作樣件，采用不同后固方式，然后將樣件在新配化銅槽當天到第三天期間進行生產，在熱沖擊后觀察孔壁切片情況，試驗結果見表1。

通過實驗結果可知：后固后的Tg變化值均小于10 ℃，都符合要求；常溫材料（S1141）未出現(xiàn)孔壁微裂，高溫材料（S1170）出現(xiàn)孔壁微裂。

3.2 鉆孔實驗

3.2.1 目的

通過不同鉆孔數(shù)量來得到不同的孔壁質量，研究不同孔壁質量對裂紋的影響。

3.2.2 過程和結果

取兩個完全相同的新鉆頭，直徑為1.0 mm，分別對20塊常溫材料（S1141）樣件和20塊高溫材料（S1170）樣件同時進行鉆孔，每塊實驗板200個孔，每個鉆頭累計鉆孔數(shù)量上限是4000。將不同孔壁質量的實驗板在新配化銅槽當天到第三天期間進行生產的，然后在熱沖擊后觀察孔壁切片情況，試驗結果見表2。

通過實驗結果可知：

表1 不同后固方式實驗結果

表2 不同孔壁質量實驗結果

圖2 鉆孔凹坑

（1）鉆頭累計鉆孔數(shù)量達到2000個以上，孔壁出現(xiàn)凹坑的概率為100%，累計鉆孔數(shù)量越多，孔壁凹坑越多，質量越差；

（2）隨著孔壁質量的惡化，常溫材料S1141存在空洞和裂紋的風險，20個切片樣件中有2個樣件出現(xiàn)空洞，比例為10%，有1個樣件出現(xiàn)裂紋，比例為5%；

（3）隨著孔壁質量的惡化，高溫材料S1170存在空洞的風險，20個切片樣件中有2個樣件出現(xiàn)空洞，概率為10%；

（4）高溫材料S1170發(fā)生裂紋的情況，并未發(fā)現(xiàn)和孔壁質量有明顯關系，而是呈現(xiàn)普遍性，20個切片樣件中，有15個出現(xiàn)裂紋，比例為75%，僅有5個切片未發(fā)現(xiàn)裂紋，比例占25%。

3.3 孔金屬化實驗

3.3.1 實驗目的

通過實驗研究溶液配方和工藝流程對沉銅質量的影響，進而優(yōu)化溶液配方，改善設備條件，減小孔壁應力，保證結合力。

3.3.2 實驗方式

在不影響生產的情況下，采用燒杯試驗、模擬試驗兩種方式進行，在分析并確定可能原因后，選取試驗樣件（8層～10層）在線加工，然后在不同的熱應力條件下分析金相結果，并以GJB362B-2009為檢驗依據(jù)，判定是否合格。

3.3.3 工藝流程分析

（1）現(xiàn)使用流程：上板→溶脹（420 s）→水洗（35 s）→水洗（240 s）→除膠（1200 s）→水洗（150 s）→水洗（40 s）→水洗（32 s）→中和（300 s）→水 洗（40 s）→堿性除油（363 s）→水洗（62 s）→酸性除油（720 s）→水洗（223 s）→微蝕（120 s）→ 水洗（63 s）→水洗（60 s）→預浸（180 s）→活化（390 s）→水洗（144 s）→水洗（82 s）→還原（270 s）→水洗（60 s）→化學銅（1320 s）→水洗（90 s）→ 水洗（81 s）→酸浸→電鍍→水洗→水洗→烘干→出板

（2）風險因素：

中和后水洗僅一道，水洗時間為40 s，時間太短，水洗不充分容易導致孔內和板面受污染；

堿性除油和酸性除油后都只有一道水洗，而且酸性除油時間長達12 min，超長的酸性調整時間和僅有的一道水洗，容易導致孔內清洗不干凈，銅面和樹脂有有機殘留，影響化學銅和孔壁的結合力；

每個生產周期的微蝕量為0.4 mm ～ 0.8 mm，偏低，并且多層板在除膠渣前板面氧化較嚴重，微蝕量不足容易導致銅面（含內層銅）清潔效果不佳，內層銅粗糙度不夠，影響化學銅和內層銅的結合力；

化學沉銅后冷水洗，孔壁可能存在應力。

（3）糾正措施：

中和后的水洗時間延長至4 min；

調整酸性除油的時間為4 min ～ 6 min，同時酸性除油后增加一道水洗，時間為3.5 min；

將微蝕溫度從28 ℃提高到33 ℃，微蝕量提到每個生產周期1.0 mm ～ 2.0 mm，保證微蝕效果；

化學沉銅后增加一道熱水洗，時間30 s ～ 60 s，溫度50 ℃ ～ 60 ℃。

（4）改善后的流程：上板→…→中和（247 s）→水洗（240 s）→堿性除油（363 s）→水洗（62 s）→酸性除油（460 s）→水洗（223 s）→水洗（215 s）→微蝕（120 s）→水洗（63 s）→水洗（60 s）→預浸（300 s）→活化（407 s）→水洗（144 s）→水洗（82 s）→還原（230 s）→水洗（60 s）→化學銅（1440 s）→水洗（90 s）→水洗（81 s）→熱水洗（37 s）→酸浸→ 電鍍→ … →出板

3.3.4 沉銅配方分析

化學沉銅槽原配方如下：

HC Make up：40 ml/L（該藥含穩(wěn)定劑）

氫氧化鈉：9 g/L；還原劑：16 ml/L；穩(wěn)定劑：0.15 ml/L。

生產線是間斷性生產，晚上停產后，化學銅槽停打氣，停循環(huán)，同時補加200 ml穩(wěn)定劑，白天生產時穩(wěn)定劑按HC Add補加體積量的8%～10%進行添加。

風險因素：化學沉銅槽中穩(wěn)定劑含量太高，沉銅溶液反應活性差。

優(yōu)化配方：HC Make up：20 ml/L；HC Add：20 ml/L；

氫氧化鈉：9 g/L；還原劑：16 ml/L。

配槽時不加穩(wěn)定劑，停線后停止加熱，保持化學銅主副槽循環(huán)和打氣，不加穩(wěn)定劑，平時正常生產時穩(wěn)定劑按HC Add補加體積量的4%～6%進行添加。

3.3.5 實驗過程結果

在以上分析結果的基礎上制定以下工藝流程優(yōu)化和沉銅槽配方優(yōu)化實驗方案，實驗樣件固化方式為兩次，使用鉆頭的累積鉆孔數(shù)不超過2000。

（1）工藝流程優(yōu)化對比試驗。

將微蝕溫度從28 ℃提高到33 ℃，微蝕量提到每個生產周期1.0 mm ～ 2.0 mm，保證微蝕效果；材料選用兩種，S1170為高溫材料，S1141為常溫材料。試驗樣件采用10層板，每塊試驗樣件取三個切片，每個切片觀察6個測試孔。實驗方案及結果見表3。

實驗結果表明：穩(wěn)定劑的過量添加容易導致孔壁微裂；優(yōu)化的工藝流程對孔壁微裂問題有改善；優(yōu)化的化學沉銅配方未發(fā)現(xiàn)孔壁微裂情況。

（2）化學沉銅槽配方優(yōu)化對比實驗。

材料選用兩種，S1170為高溫材料，S1141為常溫材料。試驗樣件采用10層板，每塊試驗樣件取三個切片，每個切片觀察6個測試孔。實驗方案及結果見表4。

表3 實驗方案及結果

表4 實驗方案及結果

續(xù)表4

實驗結果表明：

改善工藝流程、優(yōu)化化學銅配方和化學沉銅后加熱水洗，對孔壁微裂有改善。

優(yōu)化化學銅配方對孔壁微裂的改善效果遠遠大于其它因素。

在優(yōu)化流程、優(yōu)化配方后，加工了30000塊左右印制板，按GJB362B-2009要求對每塊印制板進行287 ℃、10 s的熱應力實驗，同時抽檢部分板作30 s的熱應力加嚴實驗，金相結果均未出現(xiàn)孔壁微裂，都符合GJB362B-2009要求。

4 結論

經過層壓、鉆孔、孔金屬化三個過程的大量實驗，可以確定沉銅配方是產生孔壁微裂的關鍵因素?；瘜W沉銅槽的配方直接影響化學銅沉積的晶體結構，相同配方的溶液在不同材料上有不同的沉積效果，調整溶液的配方，改善化學銅晶體結構，消除內部的應力，才是解決孔壁微裂紋的根本措施。

致謝：在本論文的實驗過程中，得到了安美特（中國）化學有限公司的劉國平、錢后才兩位工程師在技術上的大力幫助，在此表示衷心的感謝。另外，中國航空計算技術研究所的各位同事也提供了諸多的幫助，在此一并表示感謝。

[1]林金堵. 現(xiàn)代印制電路基礎[M]. 上海印制電路信息雜志社, 2005.