張仁軍 李 波 楊海軍 胡志強(qiáng)

（四川英創(chuàng)力電子科技股份有限公司，四川 遂寧 629000）

0 前言

隨著當(dāng)前PCB技術(shù)的不斷發(fā)展與升級，高縱橫比深孔電鍍越來越多。由于深孔電鍍高縱橫比的特點，化學(xué)銅工藝流程容易出現(xiàn)孔內(nèi)空洞缺陷。本文針對多層電路板在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)孔內(nèi)空洞問題進(jìn)行探討，并針對不同孔內(nèi)空洞類型進(jìn)行研究與改善，以應(yīng)對后續(xù)在高縱橫比PCB產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)﹄娀瘜W(xué)工藝流程所帶來之挑戰(zhàn)。

1 印制板沉積銅原理

孔金屬化（PTH）是通過化學(xué)方法的前處理及其對應(yīng)的調(diào)整在環(huán)氧樹脂、玻璃纖維布等絕緣基材上沉積一層薄銅，為后續(xù)的電鍍（一銅、全板電鍍或圖形電鍍）流程提供導(dǎo)電介質(zhì)層，從而滿足孔之導(dǎo)通作用。

我公司多層板及中高Tg、厚銅板化學(xué)銅主要工藝流程為：

上板→膨松→雙水洗→除膠渣→回收水洗→雙水洗→預(yù)中和→雙水洗→中和→雙水洗→除油→雙水洗→微蝕→雙水洗→預(yù)浸→活化→雙水洗→加速→雙水洗→化學(xué)銅→雙水洗→下板（常規(guī)雙面板不需要除油前的流程）

其中，涉及的主要化學(xué)反應(yīng)如下所示：

活化：Pd2++2Sn2+→[PdSn2]6+→在溶液中反應(yīng)形成不穩(wěn)定絡(luò)合物

[PdSn2]6+→Pd+Sn4++Sn2+→大部分絡(luò)合物被還原成金屬鈀

SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl↓+HCl→活化后水洗時SnCl2水解生成堿式錫酸鹽沉淀

隨著SnCl2沉淀，Pd核也一起在活化的基材表面沉積

沉銅：HCHO+OH-→H2↑+HCHOO-→Pd作為催化劑時，該步反應(yīng)才能得以進(jìn)行

Cu2++H++2OH-→Cu+2H2O→銅離子在堿性條件下被還原成金屬銅

2 PTH孔內(nèi)無銅產(chǎn)生原因分析及改善措施

由于深孔的縱橫比高，導(dǎo)致在化學(xué)銅的過程中，孔內(nèi)藥水交換困難，易出現(xiàn)孔內(nèi)空洞缺陷。鑒于PCB因化學(xué)銅導(dǎo)致的孔內(nèi)空洞癥狀與形態(tài)各異，需工藝工程師在顯微鏡下仔細(xì)觀察切片與分析，才能辨別出造成該缺陷真正原因。以下分為四種類型進(jìn)行探討。不同PTH類別孔內(nèi)無銅切片形態(tài)表見圖1所示。

2.1 藥水異常類

2.1.1 空洞現(xiàn)象

藥水異常所造成PTH孔內(nèi)空洞主要表現(xiàn)為孔內(nèi)星點狀電鍍不良，主要原因為沉銅背光不良，化學(xué)鍍銅層不連續(xù)，后續(xù)電鍍時有化學(xué)鍍銅層位置在電流作用下電鍍金屬層會逐層包裹化學(xué)銅層，如圖2所示。

2.1.2 產(chǎn)生原因（主要從藥水控制方面進(jìn)行分析）

（1）活化劑中鈀離子含量不足，導(dǎo)致在活化的過程中無法形成足夠的膠體鈀沉積在基材表面，在后續(xù)沉銅過程中，缺少鈀離子催化從而導(dǎo)致孔壁沉銅不良，引起孔內(nèi)無銅不良。

（2）活化缸循環(huán)系統(tǒng)存在漏氣，缸體藥水內(nèi)滲入微小氣泡，引起缸內(nèi)膠體鈀水解，使活化缸喪失活化功能，孔內(nèi)無法滿足沉積銅層的要求。

（3）化學(xué)銅槽液pH值過低，由于化學(xué)沉銅需要在強(qiáng)減性條件下才能進(jìn)行，pH值過低導(dǎo)致甲醛還原能力下降，影響沉銅反應(yīng)速率，造成沉銅不良。

（4）沉銅缸內(nèi)絡(luò)合劑不足，導(dǎo)致部分銅離子生成氫氧化銅沉淀，銅缸內(nèi)沒有足夠的銅離子進(jìn)行反應(yīng)沉積到孔壁內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致沉銅不良發(fā)生。

（5）除上述概述之外，銅槽內(nèi)的負(fù)載過大、過小也是做一重點監(jiān)控進(jìn)行，過大的負(fù)載會使其反應(yīng)劇烈，各藥水組分添加頻繁，沉積在玻纖位置的銅層容易爆裂脫落；過小的負(fù)載會使其藥水的活性不能滿足反應(yīng)之需要的載體，活性不足導(dǎo)致背光不良。

圖1 不同PTH類別孔內(nèi)無銅切片形態(tài)表

圖2 藥水異常導(dǎo)致的化學(xué)銅沉銅不良

2.1.3 改善措施

在化學(xué)銅生產(chǎn)過程中，對于活化缸及沉銅缸，應(yīng)保證缸內(nèi)各個藥水組分別維持在正常的工藝濃度范圍內(nèi)，以保證化學(xué)反應(yīng)的有序進(jìn)行。除此之外，缸內(nèi)pH及溫度等也會影響孔壁的沉積銅效果，應(yīng)持續(xù)對其監(jiān)控，建議每班化學(xué)銅槽的分析頻率每班至少三次進(jìn)行控制，同時配套各組分自動定量添加系統(tǒng)來衡定各藥水的比例。

2.2 特殊設(shè)計類（如孔徑0.2 mm&AR=20:1）

2.2.1 空洞現(xiàn)象

此類異常產(chǎn)生原因為孔內(nèi)中部位置沉銅藥水浸潤交換不足，孔內(nèi)層化學(xué)鍍層薄。在后續(xù)電鍍過程中電鍍銅層無法有效沉積。所造成孔內(nèi)無銅形態(tài)主要表現(xiàn)為缺陷處明顯二銅包裹一銅，同時缺陷處存在內(nèi)層銅被電鍍加厚的現(xiàn)象（因部分內(nèi)層與同網(wǎng)路其它孔相連導(dǎo)電，電鍍過程中在電流作用下會被加厚包裹），如圖3所示。

2.2.2 產(chǎn)生原因

對于此類化學(xué)銅產(chǎn)品，縱橫比往往很高。在這種特殊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)下，孔內(nèi)藥水的交換速率與貫孔能力下降明顯，導(dǎo)致化學(xué)銅過程中，孔的中心位置沉銅層往往不夠致密且粗糙，使其后續(xù)的電鍍銅層通電后的電阻過大，無法形成電鍍銅銅離子的轉(zhuǎn)換。

在這種情況下，板內(nèi)孔存在如圖4所示情況，則在化學(xué)銅后的過程中，內(nèi)層銅A處因縱橫比過大，沉銅層相比于B處不夠致密，導(dǎo)致在板電通電后電勢高于B處，因A處通過內(nèi)層銅與C相導(dǎo)通，故雖然B較C更接近孔口，但電勢仍較高，吸收銅離子能力小于C點。深孔電鍍在板電過程中，孔內(nèi)溶液交換速度較慢，孔內(nèi)銅離子相對較少?；谝陨蟽牲c，在板電過程中，A處在原本銅離子相對較少的情況下，因電勢原因吸收銅離子能力再次下降，直接導(dǎo)致其電鍍銅層厚度不足，A處在后續(xù)工序（外層線路及二銅）前處理微蝕過程中因損銅造成孔內(nèi)開路，從而引起孔內(nèi)無銅缺陷（見圖4所示）。

2.2.3 預(yù)防措施

針對此類問題，可以適當(dāng)調(diào)整沉銅及板電參數(shù)，以保證A處銅厚足夠，避免在后續(xù)流程中損銅開路。主要方法有：

（1）可以將原沉銅時間延長或在完成一次沉銅后，（一銅→預(yù)浸→活化→加速→化學(xué)沉銅）將板從預(yù)浸缸再次進(jìn)板沉銅，保證沉銅層厚度；

圖3 特殊設(shè)計孔內(nèi)空洞示意圖

圖4 孔內(nèi)沉銅厚度差異示意圖

（2）一次沉銅后，小電流短時間板電（電鍍參數(shù)0.9 A/dm2×30 min），板電后從除油缸（除油-微蝕（手動控制5～10 s）→預(yù)浸→活化→加速→沉銅）進(jìn)板再次進(jìn)行沉銅，然后在板電將孔銅加厚至要求的厚度；

（3）在沉銅條件不變的情況下，適當(dāng)降低板電電流密度，延長電鍍時間，保證孔內(nèi)銅離子足夠形成延伸式覆蓋的電鍍銅層。

2.3 孔內(nèi)殘存異物類

2.3.1 空洞現(xiàn)象

生產(chǎn)操作類造成PTH孔內(nèi)無銅主要為設(shè)備異常及違規(guī)操作，切片特點主要為孔內(nèi)殘存異物、孔內(nèi)缺陷處二銅包裹一銅等，其缺陷示意如圖5所示。

2.3.2 產(chǎn)生原因

過程控制所造成孔內(nèi)無銅主要為沉銅前去毛刺和一銅過程中活化及沉銅缸設(shè)備異常所造成，主要異常有：鉆孔排削異常，致使孔內(nèi)鉆削殘留于孔內(nèi)，另外PTH前去毛刺段后處理的高壓水洗異常，導(dǎo)致孔內(nèi)鉆屑銅粉等異物無法及時排出，造成后續(xù)在PTH過程中孔內(nèi)藥水無法正常交換，從而導(dǎo)致孔內(nèi)沉銅不良。此外，在PTH過程中，活化缸及沉銅缸內(nèi)振動及氣頂異常停止或振動幅度頻率不合格，導(dǎo)致氣泡藏于孔內(nèi)，也會造成孔內(nèi)氣泡無法及時排出，影響孔內(nèi)藥水交換，導(dǎo)致兩端對稱式的沉銅不良，從而引起孔內(nèi)空洞缺陷。

2.3.3 改善措施

針對高縱橫比產(chǎn)品，優(yōu)化鉆孔參數(shù)與檢查鉆刀質(zhì)量，在PTH及前處理去毛刺過程中務(wù)必保證設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，以保證孔內(nèi)清潔和足夠的藥水交換。

在前處理去毛刺可采用正常去一次毛刺后再次進(jìn)行高壓搖擺水洗，對產(chǎn)品孔內(nèi)進(jìn)行再次清潔，此外，可在加工高縱橫比產(chǎn)品時適當(dāng)提高PTH活化缸及沉銅缸電振幅度，將原一銅振幅30～60 mm/s提高至50～80 mm/s（在設(shè)備承載能力范圍內(nèi)），從而保證在PTH過程中，降低孔內(nèi)氣泡的存在。

2.4 漸薄型孔無銅

2.4.1 空洞現(xiàn)象

圖5 過程控制孔內(nèi)空洞示意圖

圖6 漸薄型孔無銅

如圖6所示，一銅銅厚正常，常規(guī)電性能測試其導(dǎo)通電阻無問題，但因局部孔銅偏薄，在裝機(jī)使用過程中因其導(dǎo)體較少，發(fā)熱高，易因溫度過高熔斷。

2.4.2 產(chǎn)生原因

孔內(nèi)存在抗鍍類異物或污漬、圖電除油除污效果不佳，圖形電鍍時鍍銅層延伸時受阻，導(dǎo)致電力線受影響而不能繼續(xù)向孔中延伸，使其鍍銅時出現(xiàn)抗鍍現(xiàn)象。同時，因電鍍錫保護(hù)層時因錫光劑的較強(qiáng)走位性，此位置能鍍上一層比正常位置薄的抗蝕錫層。在蝕刻過程中因錫逐漸緩慢被咬蝕，在底銅較薄生產(chǎn)板上微切片表現(xiàn)為一次銅層完整，無圖電銅層或圖電銅層漸薄。當(dāng)需蝕刻底銅較厚時，微切片表現(xiàn)為孔中圖電及板電鍍銅層呈現(xiàn)沙灘狀漸薄。

2.4.3 改善措施

定期對線路顯影段的水槽進(jìn)行保養(yǎng)，提高顯影水槽的過濾能力，同時及時更換顯影段之行輥、壓輥，保障顯影的板面與孔內(nèi)沖洗干凈，同時提升二銅之除油藥水的能力（浸泡時間、溫度、濃度等的調(diào)整）也是改善此類阻鍍式孔內(nèi)空洞的方法之一。

3 結(jié)語

伴隨產(chǎn)品的發(fā)展及市場需求，客戶對孔內(nèi)銅層的要求越來越嚴(yán)格，高縱橫比的板材引入是必然趨勢，孔內(nèi)鍍銅品質(zhì)面臨的挑戰(zhàn)也越來越大。工藝工程師們?yōu)榱烁冒盐諉栴}的關(guān)鍵點，對各相關(guān)制程的參數(shù)進(jìn)行有效控制，建立完整的系統(tǒng)的分析、解決及預(yù)防措施，可改善孔內(nèi)無銅問題。