藍(lán)春華 范偉名 唐心權(quán)

（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373）

（廣東省金屬基印制板工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣東 河源 517373）

0 前言

印制電路板（PCB）的金屬化孔，是鉆孔后先磨板去除鉆孔毛刺和板面氧化層，再經(jīng)除膠渣（去鉆污）處理，利用化學(xué)方法在除膠渣處理后的孔壁上沉積一層銅層，并用電鍍銅的方法使孔壁和板面銅層加厚，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路層間的導(dǎo)通?，F(xiàn)代電子設(shè)備功能密集化的發(fā)展趨勢(shì)，迫使PCB不斷提高互聯(lián)密度，金屬化孔密集度越來(lái)越高。而密集孔都有孔徑小，孔間距小的特點(diǎn)，孔越密集，孔間距越小，越容易出現(xiàn)可靠性失效問(wèn)題；尤其是在高溫、高濕和高電壓的惡劣終端使用環(huán)境下。本文通過(guò)對(duì)壓合、鉆孔、除膠和電鍍等金屬化孔制作關(guān)鍵工序的失效因素進(jìn)行分析，總結(jié)預(yù)防密集金屬化孔可靠性失效的關(guān)鍵點(diǎn)，為行業(yè)加工制作提供參考。

1 壓合對(duì)金屬化孔的影響

PCB壓合是指在高溫高壓條件下，迫使半固化片受熱熔融流動(dòng)，填充內(nèi)層線(xiàn)路，并固化成型的制程。半固化片在金屬化孔區(qū)域的內(nèi)層線(xiàn)路填膠是否充分，是影響多層PCB金屬化孔可靠性的關(guān)鍵。而壓合填膠的充分與否，則與疊構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)層電路設(shè)計(jì)、壓合參數(shù)等方面有關(guān)。

通過(guò)對(duì)出現(xiàn)金屬化孔可靠性失效的產(chǎn)品進(jìn)行水平切片與垂直切片分析，發(fā)現(xiàn)密集孔間有空洞，經(jīng)過(guò)電鍍后，孔間空洞滲鍍形成導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)造成孔間短路問(wèn)題。具體如圖1所示。

小結(jié)：因此壓合填膠是確保金屬化孔性能可靠性的關(guān)鍵一環(huán)，如填膠不充分，孔間就會(huì)形成空洞，化學(xué)鍍銅與電鍍銅時(shí)，藥水進(jìn)入到空洞內(nèi)并上銅，造成絕緣孔間導(dǎo)通互連而短路。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)半固化片的凝膠化時(shí)間、流膠量和內(nèi)層圖形設(shè)計(jì)進(jìn)行疊構(gòu)和壓合參數(shù)調(diào)整，確保內(nèi)層填膠充分。

2 鉆孔對(duì)金屬化孔的影響

鉆頭壽命管控和鉆孔疊數(shù)是影響孔壁質(zhì)量的關(guān)鍵因素。鉆頭壽命（鉆孔數(shù)）或鉆孔板子的疊數(shù)太多都會(huì)造成孔壁玻纖在鉆孔時(shí)被拉松，形成孔粗等不良問(wèn)題，對(duì)后工序的孔金屬化產(chǎn)生可靠性風(fēng)險(xiǎn)。如在孔徑和鉆孔參數(shù)相同的情況下（孔徑：0.3 mm；鉆孔參數(shù)：轉(zhuǎn)速：130 kr/min；下刀速：2.2 m/min；回刀速：20 m/min），對(duì)比不同刀具壽命、鉆孔疊數(shù)條件加工的金屬化密集孔可靠性。驗(yàn)證疊數(shù)和鉆頭壽命管控對(duì)金屬化孔的可靠性影響；對(duì)比條件如下表2所列。

孔壁質(zhì)量檢查：取樣制作切片用金相顯微鏡檢查，檢查是否有玻纖拉傷和孔粗等孔壁質(zhì)量問(wèn)題。

耐導(dǎo)電性阻極絲（CAF）方法：參考IPC-TM 650 2.6.25標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模塊與測(cè)試方法，孔間距設(shè)為0.85 mm；

耐CAF測(cè)試條件：溫度85 ℃，相對(duì)濕度85%RH，偏壓設(shè)定為直流電壓50 V，測(cè)試時(shí)間1000 h，進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)；

耐CAF測(cè)試判定標(biāo)準(zhǔn)：最終測(cè)試絕緣電阻＜108Ω，或者在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)絕緣電阻＜108Ω數(shù)值≥3次；即判定樣本失效。

測(cè)試結(jié)果如表3所列，孔壁切片檢查圖與CAF測(cè)試曲線(xiàn)圖如圖2、圖3。

通過(guò)對(duì)失效點(diǎn)進(jìn)行水平切片與垂直切片分析，發(fā)現(xiàn)失效模塊位置的孔間存在滲銅現(xiàn)象，用SEM放大觀察，確認(rèn)滲銅位置的玻纖存在疏松問(wèn)題。密集孔在電鍍制程中，藥水從孔壁向內(nèi)延伸，形成滲銅網(wǎng)絡(luò)從而導(dǎo)致孔間的耐CAF性能降低。如圖4所示。

圖1 失效位置切片圖

表2 鉆孔試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比表

表3 鉆孔品質(zhì)對(duì)比檢查表

圖2 孔壁切片檢查圖

圖3 CAF測(cè)試曲線(xiàn)圖

圖4 切片檢查和SEM檢查圖

小結(jié)：鉆孔孔粗會(huì)影響孔銅均勻性、孔銅與孔壁結(jié)合力，甚至?xí)斐呻婂儩B銅問(wèn)題，給金屬化孔的可靠性帶來(lái)巨大隱患；且一般性的玻纖拉傷造成的電鍍滲銅問(wèn)題，屬于潛藏問(wèn)題，無(wú)法通過(guò)常規(guī)電測(cè)檢測(cè)出來(lái)，產(chǎn)品一旦流入客戶(hù)端會(huì)因使用環(huán)境的原因而逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，造成電路板絕緣性能失效而報(bào)廢。故嚴(yán)格管控密集金屬化孔的鉆孔質(zhì)量是預(yù)防CAF失效的主要方法。

3 除膠對(duì)金屬化孔的影響

PCB鉆孔加工產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)膠渣熔融粘附在孔內(nèi)而無(wú)法排出，導(dǎo)通孔的密集設(shè)計(jì)進(jìn)一步加劇了鉆孔膠渣的殘留。鉆孔矩陣區(qū)域內(nèi)，因孔間距小，鉆孔熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)而累積進(jìn)而升溫，孔內(nèi)膠渣在高溫下更容易熔融粘附在孔內(nèi)，膠渣堆積更大更厚，甚至出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象。常規(guī)的高錳酸鉀化學(xué)除膠方式因受表面張力的影響，已很難有效浸潤(rùn)密集孔內(nèi)的膠渣，除膠效果不理想，影響后續(xù)的化學(xué)鍍銅和電鍍銅質(zhì)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同孔間距其孔內(nèi)膠渣堆積程度不同，對(duì)應(yīng)選用的除膠方式和效果也不同，利用等離子處理可在去除一部分膠渣的同時(shí)還能活化材料表面，降低材料表面張力，有利于提高化學(xué)除膠藥水的浸潤(rùn)性；故使用組合除膠方式，可有效提高孔間距＜0.65 mm的孔內(nèi)除膠效果，具體如圖5和圖6所示。

小結(jié)：從對(duì)比圖中可以看出，孔間距≤0.65 mm時(shí)，孔內(nèi)的熱量已經(jīng)開(kāi)始無(wú)法及時(shí)散發(fā)，密集孔矩陣的材料溫度升高，排屑能力開(kāi)始降低，單一化學(xué)除膠方式已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)除膠不凈而造成的金屬化孔良率降低問(wèn)題；當(dāng)孔中心間距≤0.50 mm時(shí)，即使使用跳鉆工藝，也無(wú)法避免因化學(xué)除膠不凈而帶來(lái)的金屬孔良率急劇下降，而使用等離子和化學(xué)的組合除膠方式則無(wú)此不良問(wèn)題。說(shuō)明孔間距設(shè)計(jì)越密集越容易造成膠渣堆積，孔間距≤0.65 mm的密集孔設(shè)計(jì)宜使用等離子和化學(xué)的組合除膠方式可有效提升除膠效果，提升金屬化孔可靠性良率。

圖5 不同孔間距除膠良率對(duì)比圖

圖6 除膠效果切片

4 電鍍對(duì)金屬化孔的影響

PCB電鍍主要作用機(jī)理是通過(guò)調(diào)整CuSO4、H2SO4、Cl-等無(wú)機(jī)藥水濃度，控制鍍液銅離子，達(dá)到提高鍍孔均勻性等作用；而通過(guò)調(diào)整無(wú)機(jī)添加劑用量，控制鍍孔深鍍能力與均勻性，同時(shí)提高鍍層致密性。但無(wú)機(jī)添加劑在電鍍過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)副產(chǎn)物，鍍液中副產(chǎn)物積累過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致鍍銅致密性降低，同時(shí)鍍層也會(huì)因有機(jī)物質(zhì)含量偏高，而導(dǎo)致鍍層孔銅變脆，延展性降低，給PCB的金屬化孔可靠性帶來(lái)品質(zhì)隱患。采用活性炭處理電鍍藥水，可以將有機(jī)副產(chǎn)物有效去除，延長(zhǎng)電鍍藥水使用壽命，鍍層延展性高，提升產(chǎn)品的冷熱沖擊性能。

冷熱沖擊測(cè)試方法參照IPC-TM-650 2.6.7.2 的方法進(jìn)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模塊與測(cè)試方法，測(cè)試條件，1000個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)為低溫-55 ℃維持15 min，高溫125 ℃維持15 min，完成循環(huán)測(cè)試后測(cè)互聯(lián)電阻，與測(cè)試前阻值對(duì)比電阻變化小于10%。碳處理前后的產(chǎn)品各做3組模塊，未碳處理的3組模塊均超出10%的阻值變化率，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)末期電鍍藥水在未經(jīng)碳處理所制作的3個(gè)測(cè)試模塊均熱沖擊不合格，對(duì)不合格模塊進(jìn)行熱發(fā)射分析定位及切片觀察，發(fā)現(xiàn)孔銅斷裂問(wèn)題，熱沖擊前后電阻變化極大。而碳處理后電鍍藥水制作的3個(gè)測(cè)試模塊冷熱沖擊性能均合格。如圖7所示。

表4 冷熱沖擊測(cè)試結(jié)果

圖7 冷熱沖擊孔銅切片

小結(jié)：電鍍藥水使用過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)副產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致鍍孔銅層致密性降低，孔銅變脆，影響金屬化孔熱沖擊可靠性；需嚴(yán)格管控藥水使用壽命，并定期進(jìn)行碳處理使藥水活化。

5 總結(jié)

金屬化孔可靠性涉及壓合、鉆孔、除膠和電鍍等關(guān)鍵工序；如何提高密集金屬化孔品質(zhì)可靠性，本文歸結(jié)為以下4點(diǎn)。

（1）壓合填膠充分可以避免藥水滲入孔間導(dǎo)致的短路問(wèn)題；產(chǎn)品生產(chǎn)前，根據(jù)產(chǎn)品所用材料性質(zhì)、內(nèi)層銅厚、內(nèi)層線(xiàn)路分布、孔的密集程度，產(chǎn)品用途等特性，制定壓合參數(shù)，先通過(guò)FA板制作流程，結(jié)合過(guò)程品質(zhì)檢查，確認(rèn)參數(shù)合理后再批量生產(chǎn)。

（2）鉆頭使用壽命和鉆孔疊板數(shù)直接影響孔壁質(zhì)量，使用全新鉆頭和1塊/疊的方法，可以最大限度避免孔粗和玻纖拉傷帶來(lái)的孔銅不均和CAF失效問(wèn)題；實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)產(chǎn)品特性進(jìn)行鉆頭壽命及疊板數(shù)管控，以兼顧生產(chǎn)成本。

（3）密集孔間距設(shè)計(jì)直接影響鉆孔膠渣殘留的多少；常規(guī)的化學(xué)除膠方式只能滿(mǎn)足孔間距＞0.65 mm的密集孔除膠；當(dāng)孔間距設(shè)計(jì)≤0.65 mm時(shí)宜選用等離子和化學(xué)組合除膠方式，提高除膠效率。

（4）保持電鍍藥水監(jiān)測(cè)常態(tài)化，定期對(duì)藥水進(jìn)行活性炭處理，活化藥水，可以有效保證鍍孔銅層延展性和致密性，有利于規(guī)避冷熱沖擊不合格風(fēng)險(xiǎn)。