白坤生 李思周 陳 凱

（廣東成德電子科技股份有限公司，廣東 佛山 528300）

0 前言

酸性鍍銅是印制電路板制作的關(guān)鍵過程之一，鍍層品質(zhì)直接影響成品的導(dǎo)通功能。酸性鍍銅品質(zhì)常規(guī)監(jiān)控項目有鍍銅外觀檢查、均勻性（CoV）測試、鍍液分散能力（TP值）測試、鍍層延伸率測試。以上監(jiān)測項目可控制大部分批量失效產(chǎn)品產(chǎn)出，但仍無法完全杜絕批量鍍銅不良。因為這些檢查項目著力于銅鍍層宏觀性能的測試，微觀層面的可靠性無法體現(xiàn)。酸性鍍銅微觀結(jié)構(gòu)可靠性主要涉及銅結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，正常的銅結(jié)晶為等軸結(jié)晶[1]。柱狀結(jié)晶是銅鍍層異常結(jié)晶的一種，表現(xiàn)為同一平面上沉積出的鍍層晶體沿相同方向生長，隨著時間的推移，形成“柱狀”微觀結(jié)構(gòu)[2]。

1 柱狀結(jié)晶簡介

鍍層形成柱狀結(jié)晶時，外觀不一定有異常，鍍銅均勻性也不會有變化，現(xiàn)場無法立即層別出來。結(jié)晶狀態(tài)是否正常只能通過烘板或熱沖擊后，再做金相切片到顯微鏡，（掃描電子顯微鏡）甚至SEM下觀察判定，非常難把握。目前并無關(guān)于銅結(jié)晶的判定標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對其進行品質(zhì)或可靠性判定，即電鍍銅的結(jié)晶形態(tài)不能作為判斷產(chǎn)品品質(zhì)好壞的定性標(biāo)準(zhǔn)[3]。尤其是垂直連續(xù)電鍍（VCP）設(shè)備慢慢普及的今天，PCB連續(xù)上下線的制造方式導(dǎo)致一旦出現(xiàn)不良，追溯問題產(chǎn)品數(shù)量就需要耗費大量的人力物力。酸性鍍銅柱狀結(jié)晶引起的不良例子（見圖1），鍍層切面可見明顯的柱狀結(jié)晶，PCB成品未檢查出結(jié)晶狀態(tài)就出貨，上件就已經(jīng)出現(xiàn)開路，根本無法使用。

圖1 柱狀結(jié)晶引起的開路不良

印制電路板酸性鍍銅是在硫酸銅的酸性鍍液中，通過加入特定的有機物及無機物添加劑，并施加直流電的條件下，銅離子從鍍液中析出到受鍍表面的過程。電鍍銅晶體析出過程可分為兩步[4]，第一步為Cu2+被還原成Cu+，這個步驟里Cu2+首先與添加劑結(jié)合并在外加電場作用下遷移到陰極表面，獲得一個電子；第二步為Cu+進一步得到電子還原成Cu的過程，為銅沉積速率控制步驟[5][6]。由以上分析可知，銅離子在被還原成銅，結(jié)晶析出在被極化的陰極表面的過程本質(zhì)上受到銅離子還原的電化學(xué)過程影響[7]。宏觀上，電化學(xué)過程主要取決于銅離子本身濃度、添加劑濃度、鍍液交換和電流密度。本文從添加劑濃度和電流密度方面入手，研究這兩個因素對銅結(jié)晶形成的影響。

2 實驗測試方法

本實驗測試采用1.50 mm板厚，0.25 mm孔徑的PCB，縱橫比6:1，以測試參數(shù)電鍍并烘干后，用亞克力樹脂封膠研磨并拋光0.25 mm的孔，最后用氨水雙氧水微蝕，并用日立SU1510型掃描電子顯微鏡拍攝SEM圖片對照銅結(jié)晶情況。PCB樣品處理流程：沉銅→酸性除油→DI水洗×2→酸洗→酸性鍍銅→水洗×2→烘干→樣品切片制作→檢測酸性鍍銅基礎(chǔ)鍍液組成如表1所示。

表1 酸性鍍銅基礎(chǔ)鍍液

實驗時，酸性鍍銅有機物添加劑采用某著名電鍍添加劑供應(yīng)商產(chǎn)品T，為雙組份添加劑，其中一劑為光亮劑（TA），另一劑為輔助劑（TS）。根據(jù)該供應(yīng)商技術(shù)文件，TA使用范圍為2.5 ml/L～10 ml/L，TS使用范圍為10 ml/L～40 ml/L。

3 實驗分析

3.1 電流密度對銅結(jié)晶影響

在酸性鍍銅基礎(chǔ)鍍液中按照供應(yīng)商給定最佳濃度加入添加劑T，即TA 5 ml/L，TS 10ml/L。充分攪拌后，將鍍液溫度控制到26 ℃，在標(biāo)準(zhǔn)的1500 CC Hulling Cell里各自配制新溶液進行不同電流密度的實驗。電鍍電流密度/時間分別為0.54 A/dm2/180min、 1.6 A/dm2/60min、 3.2 A/dm2/30 min、4.8 A/dm2/20 min。所有樣品電鍍完成并烘干后，制作切片樣品，研磨并微蝕后檢測銅結(jié)晶。不同電流密度下的銅結(jié)晶測試結(jié)果（見圖2）。

圖2 電流密度對銅結(jié)晶影響SEM測試結(jié)果（2000×）

由圖2可知，其他條件相同的情況下，電流密度越低，銅的結(jié)晶越細膩，電流密度升高則獲得的鍍層結(jié)晶較粗大。外觀方面，所有樣品外觀并無異常，均表現(xiàn)出鏡面金屬光澤。但0.54 A/dm2電鍍出的樣品明顯可見靠外一圈出現(xiàn)柱狀結(jié)晶不良，該電流密度下剛開始沉積出的鍍層結(jié)晶無異常，一段時間后柱狀結(jié)晶才開始出現(xiàn)并一直保持到電鍍結(jié)束。這可能是由于光亮劑及載體分解產(chǎn)物開始對鍍層產(chǎn)生負面作用所導(dǎo)致。隨著電流的升高，銅層結(jié)晶變得越來越大，1.6 A/dm2下獲得的結(jié)晶大小最均勻，3.24 A/dm2局部可見大量的大晶粒，4.8 A/dm2則只有大晶粒?？梢婋娏髅芏葘︺~結(jié)晶顆粒大小的影響呈正相關(guān)關(guān)系。

3.2 添加劑濃度對銅結(jié)晶影響

考察添加劑濃度對銅結(jié)晶的影響時，將電流密度限定為1.1 A/dm2。此實驗的添加劑使用量參照供應(yīng)商給定標(biāo)準(zhǔn)，分別取兩個組分的用量標(biāo)準(zhǔn)濃度上下限，做正交試驗，具體實驗設(shè)計見表2。

表2 添加劑濃度對銅結(jié)晶影響實驗設(shè)計

酸性鍍銅的基礎(chǔ)液同表1，鍍液溫度26 ℃，電鍍時間90 min。具體結(jié)晶測試結(jié)果如圖3。

圖3 不同添加劑濃度下銅結(jié)晶的SEM圖（2000×）

由圖3可知，在1.1 A/dm2下，低光亮劑（TA）濃度所做測試板結(jié)晶正常，且晶粒較粗大，而高光亮劑濃度做樣品結(jié)晶很細膩，但局部有柱狀結(jié)晶。測試結(jié)果可見，銅結(jié)晶形態(tài)主要受光亮劑濃度影響，輔助劑（TS）對結(jié)晶形態(tài)影響沒有光亮劑顯著。在光亮劑濃度10 ml/L時，載體濃度10 ml/L所做樣品柱狀結(jié)晶區(qū)域不大，當(dāng)載體濃度40 ml/L時，柱狀結(jié)晶區(qū)域變大，這可能是由于多余的載體在較低的電流密度下，不僅未能起到作用，反而起到反作用，既多余的載體在槽液中的成鍍液雜質(zhì)，阻礙正常銅結(jié)晶的形成。另外，實驗結(jié)果還顯示，在這種低電流密度試驗條件下，低光亮劑濃度會引導(dǎo)大顆粒銅結(jié)晶的生產(chǎn)，形成類似高電流密度下析出的結(jié)晶。

3.3 柱狀結(jié)晶性能

酸性鍍銅的等軸結(jié)晶和柱狀結(jié)晶分別進行熱沖擊試驗（10 s×3次×288 ℃），然后制作切片，觀察結(jié)晶狀態(tài)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 等軸結(jié)晶和柱狀結(jié)晶熱沖擊后SEM形貌（2000×）

圖4中拐角處柱狀結(jié)晶經(jīng)熱沖擊后，仍然保持了熱沖擊前的柱狀結(jié)晶形態(tài)不變，但晶界之間空隙變得非常大。這些空隙遠沒有銅層斷裂所形成的裂隙間距那么大，不會直接導(dǎo)致測試出過孔不通的情況，可見柱狀結(jié)晶不一定會導(dǎo)致銅鍍層的斷裂，但具體應(yīng)用中這種脆弱的鏈接狀態(tài)可維持多久無法判定。

柱狀結(jié)晶引起的性能失效方式為孔壁鍍層開路，但柱狀結(jié)晶不是引起孔壁銅層開路的唯一因素，其他因素還有板材的z軸熱膨脹系數(shù)、孔壁粗糙度、板材是否容易開裂、孔壁有無吸收水或有機溶劑等。若上述因素均可排除，即使鍍層有柱狀結(jié)晶，也不一定會導(dǎo)致過孔不通失效。顯然，這些因素中的任意一個存在都會大幅提高鍍層斷裂的風(fēng)險。

4 結(jié)論

在光亮劑濃度及基礎(chǔ)鍍液濃度相同的前提下，降低電流密度會導(dǎo)致酸性鍍銅柱狀結(jié)晶形成的風(fēng)險加大。在其他條件相同時，光亮劑濃度越高，越容易產(chǎn)生柱狀結(jié)晶，輔助劑則不會對柱狀結(jié)晶的形成產(chǎn)生顯著影響。

柱狀結(jié)晶不一定會導(dǎo)致孔銅的斷裂開路。形成柱狀結(jié)晶之后，銅是否會斷開還受到板材的物理性能影響。目前暫時沒有用于鑒定銅結(jié)晶是否正常的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，可以肯定的是柱狀結(jié)晶對PCB鍍層物理性能有潛在的負面作用。隨著行業(yè)對PCB品質(zhì)可靠性要求的日益提高，建議各大制造商建立關(guān)于銅鍍層質(zhì)量在結(jié)晶層面的內(nèi)部監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，提高自身產(chǎn)品可靠性與市場競爭力。

博敏電子不良品缺陷展圓滿落幕

為貫徹執(zhí)行“安全、品質(zhì)、交期、成本”的八字方針，增強員工對PCB的質(zhì)量意識，提升公司產(chǎn)品良率，根據(jù)“品質(zhì)年”年度計劃，博敏電子品質(zhì)管理中心組織舉辦了PCB缺陷展覽會。活動在各工廠內(nèi)部設(shè)點，以畫報上墻的形式展示各工廠生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種不良缺陷板。

兩個多月的展示期內(nèi)，各廠由廠長帶領(lǐng)全廠人員輪流參觀、解說，加深參展員工對各工序中因生產(chǎn)失誤造成的不良品缺陷板的認識。

制造副總裁韓志偉先生在梅州博敏的缺陷展閉幕式上表示：“在2018年品質(zhì)活動中，各公司的每一位員工都盡職盡責(zé)，特別是開展不良品缺陷展后，明顯發(fā)現(xiàn)員工們的各項生產(chǎn)操作更加規(guī)范。通過此次活動，加深了員工對各類板子典型缺陷點的了解，使員工充分認識到用心做好本職工作的重要性，也使基層管理干部認識到平時管理工作中的不足并進一步提升管理水平，保證產(chǎn)品的質(zhì)量?！?/p>

工廠發(fā)言代表在分享環(huán)節(jié)提到：“通過本次展覽，讓大家更加直觀地了解到本工序典型的缺陷，更加了解品質(zhì)的重要性，在以后的工作中，要時刻把品質(zhì)放到第一位，并在實踐中提升品質(zhì)意識，提高產(chǎn)品質(zhì)量。嚴(yán)格按照工序文件作業(yè)，規(guī)范作業(yè)，提高每個員工的品質(zhì)意識。與此同時，我們還要更注重首檢和過程檢查，讓本崗位的品質(zhì)提升到一個新的臺階?！?/p>

相信通過本次PCB缺陷展，博敏人能夠進一步提高品質(zhì)意識，用心認真地按照生產(chǎn)操作規(guī)范進行作業(yè)，同時形成起自檢、自律、對結(jié)果負責(zé)的良好風(fēng)尚，齊步向著零缺陷產(chǎn)品的品質(zhì)終極目標(biāo)前進。

（博敏電子）