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        印制電路板電鍍銅顆粒缺陷的成因分析

        2014-11-25 09:22:16詹世敬鄭凡江杰猛
        電鍍與涂飾 2014年21期
        關(guān)鍵詞:板面鍍銅薄板

        詹世敬*,鄭凡,江杰猛

        (廣州杰賽科技股份有限公司,廣東 廣州 510310)

        在印制線路板(PCB)中,全板電鍍的表面缺陷主要有銅粒、凹痕﹑凹點(diǎn)﹑板面燒焦﹑層次電鍍﹑表面氧化等。其中銅粒主要在沉銅全板鍍銅/圖鍍工序產(chǎn)生,其影響極為嚴(yán)重,不僅會(huì)引起線路短路、開路,表觀不良,貼膜不牢,金手指粗糙等缺陷,而且難以修理和返工,漏檢后大多會(huì)造成報(bào)廢。但有關(guān)PCB 電鍍銅顆粒的成因研究鮮見報(bào)道[1]。

        常用的硫酸銅電鍍?cè)赑CB 電鍍中占有極為重要的地位,酸銅電鍍的好壞直接影響電鍍銅層的質(zhì)量和機(jī)械性能,并對(duì)后續(xù)加工產(chǎn)生一定的影響。因此如何控制好酸銅電鍍的質(zhì)量是PCB 電鍍中的重要一環(huán),也是很多印制線路板廠工藝控制較難的工序之一。

        本文針對(duì)全板電鍍后出現(xiàn)的一種有規(guī)律的板面銅顆粒進(jìn)行深入分析,找到銅顆粒產(chǎn)生的根本原因,并簡(jiǎn)單分析了其反應(yīng)機(jī)理,為此類問題的預(yù)防與控制提供理論依據(jù)。

        1 問題描述

        圖1為含有銅粒缺陷鍍銅板的照片。從圖1 缺陷處看,銅顆粒并非整板隨機(jī)分布,而是呈一定規(guī)律的條狀分布;不良率約為50%,并非所有的生產(chǎn)板都存在此類問題。

        圖1 鍍銅后含銅粒缺陷的PCB 照片F(xiàn)igure 1 Photo of PCB with copper particle defect after copper plating

        2 銅顆粒影響因素

        通過頭腦風(fēng)暴法,從人、機(jī)、料、法、環(huán)這5 個(gè)方面繪制出可能造成PCB 電鍍銅顆粒的魚骨原因分析圖,見圖2。結(jié)合圖2和現(xiàn)場(chǎng)排查,將缺陷定位在設(shè)備治具和生產(chǎn)方法上。

        2.1 化學(xué)沉銅工藝方面的因素

        PCB 板沉銅的工藝流程為:除油─微蝕─活化─加速─化學(xué)沉銅。

        圖2 板鍍銅顆粒產(chǎn)生原因的魚骨分析圖Figure 2 Fishbone diagram for analysis of the formation of copper particle defect during plating process of PCB

        以上任一工序中的任一參數(shù)出現(xiàn)偏差都有可能導(dǎo)致銅顆粒缺陷。除板面氧化造成的銅粒以外,沉銅工序引起的板面銅粒在板面上的分布一般較為均勻,規(guī)律性較強(qiáng),并且無論導(dǎo)電與否,在某一部位產(chǎn)生的污染都會(huì)導(dǎo)致電鍍銅板面生成銅粒。

        2.2 板鍍工藝方面的因素

        酸銅電鍍槽本身一般不會(huì)造成板面銅粒,因?yàn)榉菍?dǎo)電性顆粒最多造成板面漏鍍或凹坑。銅缸造成板面銅粒的原因大致歸結(jié)為槽液參數(shù)維護(hù)、生產(chǎn)操作、物料和工藝維護(hù)幾個(gè)方面。

        槽液參數(shù)維護(hù)方面包括硫酸含量過高,銅含量過低,槽液溫度低或過高。特別是沒有溫控冷卻系統(tǒng)的工廠,溫度過高會(huì)造成槽液的電流密度范圍下降,按照正常的生產(chǎn)工藝操作可能會(huì)在槽液中產(chǎn)生銅粉。

        生產(chǎn)操作方面主要是設(shè)定電流過大,夾板不良,空夾點(diǎn),槽中掉板靠著陽極溶解等,同樣會(huì)造成部分生產(chǎn)板電流過大,產(chǎn)生銅粉掉入槽液,逐漸形成銅粒缺陷。

        物料方面主要是磷銅球的磷含量和磷分布均勻性問題。

        生產(chǎn)維護(hù)方面主要是大處理,銅球添加時(shí)掉入槽中,特別是碳處理時(shí)陽極和陽極袋的清洗,很多工廠都處理不好,存在一些隱患。碳處理時(shí)應(yīng)將銅球表面清洗干凈,并用雙氧水微蝕出新鮮銅面。陽極袋應(yīng)先后用硫酸加雙氧水混合液浸泡,再用堿液浸泡,并清洗干凈。陽極袋則要用間隙為5~10 μm 的PP 濾袋[1]。

        另外,由于此缺陷有一定的規(guī)律性,可能與生產(chǎn)治具有關(guān)。

        從以上影響因素看,此類缺陷與沉銅過程和電鍍銅缸前處理等的異常關(guān)系較大,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沉銅以及電鍍工藝的梳理,初步判定沉銅沉積速率、加速、板鍍的前處理以及沉銅治具為主要影響因素,需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)重點(diǎn)進(jìn)行層別。

        3 試驗(yàn)

        3.1 流程設(shè)計(jì)

        PCB 從沉銅到板鍍之間的主要流程為:薄板架上板─沉銅─水洗─除油─水洗─酸浸─板鍍。

        板鍍有2種電鍍方式,即一次鍍夠和正常板電鍍。一次鍍夠板和正常板在流程上的主要區(qū)別是一次鍍夠板采用電鍍薄板架方式上板(如圖3 所示)。

        圖3 薄板掛具上板示意圖Figure 3 Schematic diagram for thin board hanging on rack

        3.2 根據(jù)流程設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)

        根據(jù)沉銅板鍍的工藝流程,設(shè)計(jì)相應(yīng)的再現(xiàn)性試驗(yàn),找到造成板面粗糙的主要原因。試驗(yàn)后采用金相顯微鏡觀察銅面的表觀狀況,觀察銅顆粒的結(jié)晶大小和顆粒的嚴(yán)重程度。通過水晶膠切片在高倍顯微鏡下觀察銅顆粒的內(nèi)部形態(tài)和形成時(shí)間,試驗(yàn)方案和結(jié)果見表1和表2。

        表1 不同生產(chǎn)線工藝流程的影響Table 1 Effects of different process flows of different production lines

        表2 PCB 電鍍銅掛具層別試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of stratification test for racks of copper plating on PCB

        從表1 可知,通過異常放大后的實(shí)驗(yàn)都有銅顆粒產(chǎn)生,但從銅顆粒的分布來看,呈無規(guī)律分布,與本文所要闡述的問題不一致,而從影響程度上看,沉銅的影響較大。

        從表2 可知,連續(xù)使用的薄板掛籃生產(chǎn)的一次鍍夠板有銅顆粒缺陷,觀察發(fā)現(xiàn)其銅顆粒分布與本文的相同。

        4 討論

        綜合以上分析,將生產(chǎn)控制點(diǎn)全面排查后,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)薄板(一次鍍夠板)所用的沉銅掛籃和板鍍的掛架沒有明確的保養(yǎng)方式和頻率,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)銅粒的問題板的切片(圖1)和規(guī)律分析可知,掛籃上隔離線對(duì)應(yīng)的板面都有掛籃印,板鍍后板面的銅粒也基本上是呈條狀分布,與圖3 劃圈處一致。另外,從顆粒的微觀形貌(圖4)可看出銅顆粒中無任何雜質(zhì)。

        圖4 銅顆粒的內(nèi)部狀況Figure 4 Internal state of copper particle

        綜上可知,板表面的銅顆粒具有以下特點(diǎn):

        (1)銅粒形態(tài)基本都呈條狀,有規(guī)律性。

        (2)銅粒未包裹雜質(zhì)、碳粉等污染物,為實(shí)心銅粒。

        (3)問題板基本都是由使用薄板掛籃生產(chǎn)所得。

        對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的薄板掛籃生產(chǎn)出來的板都有銅顆粒,用硝酸剝掛干凈的薄板掛籃生產(chǎn)出來的板都沒有銅顆粒。據(jù)此對(duì)銅顆粒的產(chǎn)生機(jī)理分析如下:

        沉銅槽中會(huì)出現(xiàn)化學(xué)鍍銅浴分解的現(xiàn)象,有時(shí)被認(rèn)為是“觸發(fā)”作用,由化學(xué)鍍銅浴快速鍍出銅造成。其本質(zhì)是銅的還原反應(yīng)已失控,一旦開始就難以停止,最終結(jié)果是鍍槽表面都鍍上銅。配方錯(cuò)誤引起的鍍銅液觸發(fā)分解很少見,主要原因是過程控制不當(dāng)、工藝問題與維護(hù)不佳等使過多的活化劑被帶入鍍液內(nèi)。其中,沖洗不當(dāng)和掛具不良是帶入活化劑的最主要原因。帶入的金屬材料與銅末都會(huì)觸發(fā)鍍液分解。使用未及時(shí)剝掛的沉銅掛籃生產(chǎn)時(shí),由于多次使用,掛籃上特氟龍材質(zhì)的隔離線上會(huì)累積更多的活化液,使線的附近形成一個(gè)區(qū)域性的“觸發(fā)”[2],分解出的銅便附著在對(duì)應(yīng)部位的表面;因?yàn)榉纸膺^程較為快速,所以對(duì)應(yīng)的銅層松散,并且有細(xì)微毛刺和凸起,電鍍時(shí)就會(huì)放大而形成銅粒。

        這一反應(yīng)機(jī)理假設(shè)可解釋以下試驗(yàn)事實(shí):

        (1)銅粒形態(tài)有規(guī)律。

        (2)銅粒內(nèi)未包裹雜質(zhì)、碳粉等污染物,為實(shí)心銅粒。

        5 結(jié)語

        PCB 沉銅時(shí),若掛籃不剝掛干凈或殘留活化液未去除,板面將會(huì)形成嚴(yán)重的銅顆粒缺陷。因此在實(shí)際生產(chǎn)中,一方面應(yīng)保持沉銅槽藥水的活性,使其維持在正常沉積速率范圍內(nèi);另一方面,應(yīng)依照使用次數(shù),規(guī)定掛籃的剝掛(用硝酸浸泡)頻率。

        [1]林其水.PCB 電鍍銅工藝和常見問題的處理[J].印制電路信息,2009 (4):46-49,62.

        [2]郭鶴桐,覃奇賢.電化學(xué)教程[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000.

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