PCB金属化孔镀层缺陷原因及相应对策

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金属化孔质量与多层板质量及可靠性息息相关。金属化孔起着多层印制线路电气互连的作用。孔壁镀铜层质量是印制板质量的核心，不仅要求镀层有合适的厚度、均匀性和延展性，而且要求镀层在288℃热冲击10秒不能产生断裂。因为孔壁镀铜层热冲击断裂是一种致命的缺陷，它将造成内层线路间和内层与外层线路之间断路；轻者影响线路断续导电，重者引起多层板报废。
& e* g% d% O, d  Q" q2 E: i　　目前，印制板生产中经常出现的金属化孔镀层缺陷主要有：金属化孔内镀铜层空洞、瘤状物、孔内镀层薄、粉红圈以及多层板孔壁与内层铜环连接不良等。这些缺陷的绝大多数将导致产品报废，造成严重的经济损失，影响交货期。
　　2 金属化孔镀层主要缺陷的产生原因及相应对策
　　我们首先简单回顾一下多层印制板的制造工艺过程。
　　下料 制板 蚀刻 黑化 层压
　　钻孔 去沾污及凹蚀处理 孔金属化
　　全板电镀 制板 图形电镀 脱膜
( e% x) _. R9 {; ]; [9 ^　　蚀刻 丝印阻焊 热风整平 丝印字符
3 d9 k% k7 ]3 ~7 T1 D0 W　　本文将从钻孔工序、孔壁去树脂沾污及凹蚀处理工序、电镀及多层板层压工序等几个方面，分析金属化孔镀层的主要缺陷及产生原因，阐述如何优化工艺参数，进行严格的工艺及生产管理，以保证孔化质量。
" `, E* f# @( s9 w　　2．1 钻孔工序
$ D2 i! H4 _% [　　大多数镀层空洞部位都伴随出现钻孔质量差引起的孔壁缺陷，如孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等。由此造成孔壁镀铜层空洞，孔壁基材与镀层分离或镀层不平整。下面，将对孔壁缺陷的成因及所采取的措施进行阐述：
　　2．1．1 孔口毛刺的产生及去除
5 x6 j  ]0 w/ Q+ p4 Y" q　　无论是采用手工钻还是数控钻，也无论是采用何种钻头和钻孔工艺参数，覆铜箔板在其钻孔过程中，产生毛刺总是不可避免的。孔口毛刺对于金属化孔质量的影响历来不被人们所重视，但对于高可靠性印制板的金属化孔质量来讲，它却是一个不可忽视的因素。
　　首先，孔口毛刺会改变孔径尺寸，导致孔径入口处尺寸变小，影响元器件的插入。其次，凸起或凹陷进入孔内的铜箔毛刺，将影响孔金属化过程中电镀时的电力线分布，导致孔口镀层厚度偏薄和应力集中，从而使成品印制板的孔口镀铜层在受到热冲击时，极易因基板热膨胀所引起的轴向拉伸应力造成断裂现象。
( u, |: U# e- _& a　　传统的去毛刺方法是用200(400号水砂纸仔细的打磨。后来发展到用碳化硅磨料的尼龙刷机械抛刷。但随着印制板技术的不断发展，9(18微米超薄型铜箔的推广应用，使印制板加工过程中的去毛刺技术也发生了很大变化。据报道，国外己开始采用液体喷砂研磨法来去除孔口毛刺。
/ o& y. N2 y" X# O$ E: V" d/ Q7 q' x　　一般来说，对于去铜箔厚度在18微米以上的覆铜箔层压板孔口毛刺，采用机械抛刷法是十分有效的，只是操作时，必须严格控制好刷辘中碳化硅磨料的粒度和刷板压力，以免压力过大和磨料太粗使孔口显露基材。用于去毛刺的尼龙刷辘中，碳化硅磨料的粒度一般为320(380#。
　　现代的双面去毛刺机共有四个刷辘，上下各半，能一次性将覆铜箔板两面的孔口毛刺同时去除干净。在去除同样一面的孔口毛刺时，两个刷辘的转动方向是相反的。一个沿顺时针方向转动，一个沿反时针方向转动，加上每个刷辘的轴向摆动，使孔口毛刺受到沿板面各个方向上刷板力的均匀作用，从而被彻底地除去。去毛刺机必须配备高压喷射式水冲洗段。
　　液体喷砂研磨法，是利用一台专用设备，将碳化硅磨料借助于水的喷射力喷射在板面上，从而达到去毛刺的目的。
　　2．1．2 孔壁粗糙、基材凹坑对镀层质量的影响
　　在化学镀铜体系良好的状态下，钻孔质量差的孔壁容易产生镀铜层空洞。
5 A) u' ^' _/ l3 M- `: l/ J　　因为在孔壁光滑的表面上，容易获得连续的化学镀铜层，而在粗糙的钻孔孔壁上，由于化学镀铜的连续性较差，容易产生针孔；尤其是当孔壁有钻孔产生的凹坑时，即使化学镀层很完整，但是在随后的电镀铜时，因为有电镀层折叠现象，电镀铜层也不易均匀一致，在钻孔凹坑处，容易存在镀层薄，甚至镀不上铜而产生镀层空洞。
　　2．1．3 环氧树脂腻污的成因
+ f, O5 C3 z& q# Y( F% j% Q. ?+ a& W　　我们知道，印制板钻孔是一个很复杂的加工过程，基板在钻头切削刃机械力，包括剪切、挤压、扯裂、摩擦力的作用下，产生弹性变形、塑性变形与基材断裂、分离形成孔。
9 d  k! F5 E- J! q. n6 C　　其中，很大部分机械能转化为热能。特别是在高速切削的情况下，产生大量热能，温度陡然升高。钻孔时，钻头温度在200℃以上。印制板基材中所含树脂的玻璃化温度与之相比要低得多。软化了的树脂被钻头牵动，腻在被切削孔壁的铜箔断面上，形成腻污。
8 U- w/ j# c1 b4 _　　清除腻污较困难，而且一旦在铜箔断面上有一定量的腻污，会降低甚至破坏多层板的互连性。
# B: A0 G, |9 _' t) p% ]　　2．1．4 避免钻孔缺陷产生，提高钻孔质量的途径
　　孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等缺陷，可通过加强以下几方面的工艺、质量控制，得以去除或削弱，从而达到提高钻孔质量的目的。
% T9 R- w$ }  G. ~4 `5 |　　2．1．4．1 钻头的质量控制
　　钻头本身的质量，对钻孔的质量起着极为关键的作用，要求碳化钨合金材料的粒度必须非常细微，应达到亚微级。碳化钨合金无疏孔能耐磨，钻柄与切削刃部分的直径公差，均在0(0．005mm范围内，整个钻部、钻尖及柄部同心度公差在0．005mm以内，钻头的几何外形无缺损，即在40倍放大镜下观察，应无破口。
　　一只好的钻头还应该具备另外一个特性，即对称性。钻头的两面在尺寸和形状上必须相同。对称性差会产生磨损钻头刃。为了保证钻头质量，必须对供货厂家严格选择，应从质量信得过的钻头生产厂家进货。并对钻头进货进行检验，不合格的产品不准用于生产。
% V! S& D" O) x. x4 q- d8 b　　2. 1．4．2 钻头的形状选择
　　钻头的主要形状，一般分为普通型及锥斜型、铲型和特殊型，对于小孔特别是多层板小孔，最好采用后三种，后三种的特点是刃带的长度比较短，一般为0．5mm左右，它们可以明显减少钻孔的发热量，减少沾污。
, |' r- ^/ j# }5 b( ]　　2. 1．4．3 钻头排沟槽的长度
　　钻头排沟槽的长度，对排屑是否顺利起着至关重要的作用。如果排屑的沟槽太短，钻屑无法顺利排山，钻孔的阻力增大，易造成钻头断裂，且易沾污孔壁。所以，一般情况下，钻头排屑槽的长度，应为所叠板厚(包括上盖板)加上钻头进入下垫板深度和的1．15倍，即应使排屑槽的长度，至少有15％部分留在板外。
　　2．1．4．4 控制钻孔的工艺参数
　　这里所指的钻孔工艺参数包括每叠板的块数、钻数／进给比。
　　2．1．4．5 钻头的寿命控制
( O3 F2 V( Z6 c9 u+ w  X　　由于每个工厂的情况都不完全一致，钻头使用的寿命也有所差异，应根据具体的实验结果确定。当孔的质量指标中，有一项己?下降到接近公差极限时，就需要更换钻头，换下去翻磨或报废。一般情况下，多层板允许的最大钻孔数为1500个孔，而且，多层板一般不翻磨钻头。
　　2．1．4．6 上盖板、下垫板的使用
　　2．1．4．6．1 上盖板的使用
8 b7 E. |8 G6 |9 D7 O( w　　钻孔时使用的上盖板，可以起以下几个方面的作用：
) t& f& E+ u* C1 L0 G. }! F4 _　　1)防止压力脚对板面的损坏；
　　2)防止入口面毛刺的产生；
　　3)改善孔径精度；
　　4)减少小孔断钻头的机率。
3 @8 w5 C" X/ R& `, B　　假若不使用上盖板，那么，钻头在穿透薄的铜箔后，钻头的某一边有可能会与玻璃布撞击，导致钻头的一边受到较大的切削力，因而钻头会发生倾斜，从而影响定位精度。而且，在穿透之后，钻头在退回时，受力不均衡，钻头易折断。上盖板一般可采用0．2(O．4mm厚的硬铝箔。
　　2．1．4．6．2 下垫板的使用
　　使用下垫板，可以防止钻头碰到工作台面；还可防止出口面产生毛刺。
+ T0 ]7 m9 \3 q! H: j& ~! d# e　　下垫板除了要求平整外，还需要有一定的硬度，没有油污染，以防止偏孔毛刺和孔壁沾污。
1 X+ W* D; _0 @' c　　美国层压板公司有一种波纹板下垫板，当钻头钻透很簿的铝箔后，在空气中高速旋转，当提钻时，由于文氏管效应，一股气流有效地冷却钻头，大大降低了钻孔温度。
- p% S0 S$ P* O7 w5 I5 \1 G! u2 i- Y4 x% @　　2．1．4．7 钻头进入下垫板的深度控制
　　钻头进入下垫板的深度应该适度。下钻太深，使得排屑槽留于板外的部分小，不利于碎屑的排出，易堵塞孔，使钻头易于断在孔内。其次，钻得太深，有可能钻到钻机工作台上，使钻台损坏。另外，一般对1．5(1．7厚的垫板，为提高使用效率，降低生产成本，大多使用两次，两面各用一次，如果钻得太深，会使垫板钻穿，容易产生毛刺。对于大于0．6mm的钻头，下垫板钻入深度应为0．75mm；而小于0．6mm大于0．3mm的钻头，下垫板的钻入深度为0．6mm；而对小于0．3mm的钻头，可以在下垫板上垫一厚纸，进行试钻，以确定下钻的深度。这些参数一旦确定，将这些数据编入钻孔程序中。
　2．2 孔壁去树脂沾污及凹蚀处理工序
" D8 i7 H8 Q8 R5 p4 T　　首先应该指出，凹蚀与去沾污是两个互为关联，但又相互独立的概念和工艺过程。
! @; x2 |2 u$ x6 O　　所谓凹蚀，是指为了充分暴露多层板的内层导电表面，而控制性地去除孔壁非金属材料至规定深度的工艺。
　　所谓去沾污，是指去除孔壁上的熔融树脂和钻屑的工艺。
　　显然，凹蚀的过程也是去沾污的过程。但是，去沾污工艺却不一定有凹蚀效应。
, J  T  p5 i0 ?- F% b2 @　　尽管人们选择优质基材、优化多层板层压及钻孔工艺参数，但孔壁环氧沾污仍不可避免。为此，多层板在实施孔金属化处理之前，必须进行去沾污处理。为进一步提高金属化孔与内层导体的连接可靠性，最好在去沾污的同时，进行一次凹蚀处理。经过凹蚀处理的多层板孔，不但去除了孔壁上的环氧树脂粘污层，而且使内层导线在孔内凸出，这样的孔，在实现了孔金属化之后，内层导体与孔壁层可以得到三维空间的可靠连接，大幅度提高多层板的可靠性。凹蚀深度一般要求为5(10微米。
　　孔壁去树脂沾污的方法大致有四种，即等离子、浓硫酸、铬酸及高锰酸钾去沾污。由于高锰酸钾去树脂沾污有较多优点：产生微小不平的树脂表面，不像浓硫酸腐蚀树脂产生光滑表面；也不像铬酸易产生树脂过腐蚀而使玻璃纤维凸出于孔壁，且不易产生粉红圈，这些都是高锰酸钾去树脂沾污的优点，故目前被广泛采用。
　　为使高锰酸钾去沾污及凹蚀处理获得均衡腐蚀速率，必须做好工艺技术管理及维护工作，具体是：
0 N) ~! `7 M% H5 D& y# F　　2．2．1 选用最佳工艺参数
" F  V$ G# G! F$ V' Q  Z　　以安美特公司溶液为例，其参数为：
　　1)溶胀剂Securiganth P：450(550ml/L，最佳500ml/L。
: u, Q3 z5 L% R5 G: n  @7 _4 w$ N. t　　PH校正液：15(25ml/L，最佳23ml/L。
2 Q3 m& ^* e6 R6 v: j1 ]　　或氢氧化钠NaOH：6(10g／L，最佳10g/L。
　　工作温度：60(80℃，最佳70℃。
　　处理时间：5分30秒。
　　2)高锰酸钾KMnO4：50(60g/L，最佳60g/L。
! x$ E, X: Y9 d" O1 o* _　　氢氧化钠NaOH： 30(50g／L，最佳40g／L。
　　工作温度：60(80℃，最佳70℃。
" T* r6 j2 p" p　　处理时间：12分。
* V6 |6 t; ~% C9 _　　3)还原剂SecuriganthP：60(90ml/L，最佳75m1/L。
　　硫酸H2SO4：55(92g/L，最佳92g／L。
　　玻璃蚀刻剂：5(10g／L，最佳7．5g／L。
4 u5 d$ x) U* g+ }　　工作温度：50℃。
" J9 I3 {4 M- J, Q　　处理时间：5分。
, z  t# p2 ^; g# s3 j. m　　2．2．2 每周测定一次高锰酸钾KMnO4、锰酸钾K2MnO4、氢氧化钠NaOH浓度，必要时，调整KMnO4及NaOH浓度。
. _- I  o. y. T4 M　　2．2．3 可能情况下，坚持连续不断的电解，使锰酸钾K2MnO4氧化为高锰酸钾KMnO4。
　　2．2．4 观察KMnO4去树脂沾污后的印制板表面颜色，若为紫红色，说明溶液状态正常；若为绿色，说明溶液中K2MnO4浓度太高，这时应加强电解再生工作。

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