PCB过孔局部铜薄和过孔断路的系统研究及提出解决方案

PCB过孔局部铜薄和过孔断路的系统研究及提出解决方案2009-9-117:16:14资料来源:PCBcity作者:徐欢摘要：过孔局部铜薄和过孔断路是PCB制造行业共同面临的重大技术课题之一，以往对过孔断路的讨论与研究文章多局限在PCB钻孔工艺、孔化工艺、电镀工艺等单一环节的研究与改善。本文就过孔局部铜薄和过孔断路产生的失效模式分析做简明扼要的分析，重点论述PCB制造过程引进并具体应用对微孔进行“微阻测试”的电测技术可行性，并提出与钻孔工艺、孔化工艺、电镀工艺等生产环节有机结合的方案，从而减少和解决过孔局部铜薄及过孔断路的问题。关键词：过孔铜薄；过孔断路；微阻测试前言：美国爆发“次贷危机”给全球金融带来的影响正愈演愈烈，也影响着中国的经济秩序。此前，中国经济已备受国际石油价格上涨波动、全球经济放缓、人民币汇率升值等国际因素和自身经济发展过热、自然灾害和通货膨胀等国内因素的双重压力。金融旋风突袭，无疑使中国经济处境雪上加霜。目前，金融危机已对全球实体经济产生了巨大的冲击，2008年世界经济已明显放缓，下行风险逐步加大，前景更加不确定。预计2009年全球经济增长率为2.2%，发达经济体经济将下降0.3%这场由美国次贷引起的，逐渐蔓延成波及全球的经济危机，对中国的经济及行业影响也日益凸显。在这场倒闭与生存，过冬与储备的战役中，各行各业面临着极大的挑战。伴随全球经济危机进一步深化，消费者减少支出，IT行业（通讯、电子产品）生产制造与销售大幅缩水，企业进入冬眠期。而全球经济回暖被预测周期2-3年甚至更长，2009年是全球经济危机探底的一年。此刻PCB制造行业所面对将是前所未有的生存与持续发展的考验。在国际国内大环境的影响下，IT行业各个环节的生产制造、销售企业都采取了从内部、外部的质量、成本上想办法，保证产品质量、争取订单、寻求生存和发展。可以联想到，作为PCB密切相关的PCB下游客户对PCB质量，尤其过孔性能的要求也水涨船高。为此，在PCB制造行业共同面临僧多粥少的尴尬局面时，采取抉择无疑将从细节上降低制造成本、提高并保证产品质量，减少和杜绝不良品流出，减少客户反馈，尤其减少和杜绝过孔铜薄和过孔断路等性能上遭致的客户反馈，从而提高企业危机时刻的核心竞争力。1、电镀原理介绍1.1、电镀液成分及作用介绍：CuSO4.5H2O：主要作用是提供电镀所需Cu2＋及提高导电能力H2SO4：主要作用是提高镀液导电性能，提高通孔电镀的均匀性。Cl-：主要作用是帮助阳极溶解，协助改善铜的析出，结晶。添加剂：主要作用是改善均镀和深镀性能，改善镀层结晶细密性。1.2、电镀原理-如图示说明：1.3、酸性镀铜机理从镀铜机理及原理上不难发现，阴极表面存在的H+得到e-，则铜表面发生还原反应，生成H2方程式如下：2H2+2e-=H2，也就是孔壁或表面气泡产生的来由了。这样就有孔内产生气泡隐患。此种问题将导致过孔局部铜薄。2、PCB过孔缺陷介绍2.1过孔局部铜薄2.1.1过孔局部铜薄现象展示由以上描述可见：即使厚径比3.3/1≤4：1，仍然出现孔内镀铜薄的机会。2.1.2失效模式分析1）从电镀原理进行分析电镀过程，会出现孔内电流分布由孔边到孔中央逐渐降低，致使大量的铜沉积在表面与孔边，无法确保孔中央需铜的部位铜层应达到的标准厚度。对于通孔电镀而言，孔中镀液的体积为πr2T（π是圆周率，r是半径，T是板厚），孔中电镀面积2πrT，二者之比时r/2。举个例子，对于相同板厚的φ1.0mm的孔与φ0.1mm的孔相比，孔中镀液的体积减小至1/100，孔中电镀面积减少至1/10，也就是说在电镀的瞬间，与φ1.0mm的孔相比，φ0.1mm的孔中电镀相同的面积所拥有的铜离子含量只有原来的1/10.显然，这种现象可能的结果是孔中金属铜离子的迁移速率小于沉积速率，局部的电极过程由液相传质步骤控制，从而使孔中电流效率降低，因此同种板厚，小孔、微孔的孔内铜厚度小于较大之孔的镀铜厚度。2）对于高厚径比的分析：在酸性硫酸铜镀液中，传统直流电镀所造成的板面与孔内镀层厚度差别主要是由板的厚度（孔的深度）和孔径尺寸来决定的。即直流电镀时，通孔内的欧姆电阻E为E=JL2/2Kd-----------------（1）式中：J--阴极电流密度；L--孔的深度（板厚度）；K--电导率（受H2SO4影响最大，H2SO4浓度大，K就大）；d--孔的直径。还可导出孔的电镀‘难度系数’D。D=L2/d--------------------（2）从这两个公式中可以看到：（一）若通孔的深度L（板厚）不变，则孔内的欧姆电阻E将随着孔径微小化而提高，阻止Cu2+离子向孔内沉积将越来越大，则孔内电镀铜越来越困难；（二）传统直流电镀通孔时，电镀‘难度系数’D是与孔深度的平方成正比，跟孔直径成反比，或者更直观地说，传统直流电镀的‘系数难度’D是与孔的深度（L，板厚）和厚径比（L/d）成正比。因此，传统直流电镀通孔时，其孔内的铜镀层厚度‘梯度’将随着孔的深度（板厚度）和厚径比（孔径微小化）的增加而急剧严重化起来！对于传统直流电镀常规的PCB，其厚径比≤6：1的通孔镀，电镀分散能力为65%到85%。一般说来，这种电镀分散能力还是可以保证通孔连接的可靠性。而对于厚径比≥8：1的通孔镀，传统直流电镀的电镀分散能力≤50%，这是很难保证导通孔的连接可靠性的。因此伴随着出现孔内微连接的状态3）通孔电镀时孔内产生的气泡挤压孔壁并占据空间，而导致药液无法接触孔壁造成局部没有电镀铜层。设备摆动、震荡等设置不合理，没有将孔内气泡赶出。2.1.3改善措施的建立1）为解决量产中产品质量问题，目前采用高酸低铜工艺，并在从电流及添加剂方面去解决深孔电镀问题。在大厚径比比印制电路板电镀铜工艺中，大多都是在优质的添加剂的辅助作用下，配合适度的空气搅拌和阴极移动，在相对较低的电流密度条件下进行的。使孔内的电极反应控制区加大，电镀添加剂的作用才能显示出来，再加上阴极移动非常有利于镀液的深镀能力的提高。2）根据电铸铜所采用的脉冲电镀工艺方法启示，为解决深孔或深盲孔电镀铜问题，提出采用“定时反电流或定时反脉冲”供电方式，试图解决印制电路板生产过程所面临的深孔镀的技术难题。脉冲电源不同于直流电源，它是通过一个开关元件使整流器以μs的速度开／关，向阴极提供脉冲信号，当整流器处于关的状态时，它比直流更有效地向孔内的边界层补充铜离子，从而能使高纵横比孔径内壁电镀更加均匀。3）孔内气泡的产生现象很难模拟出来，由于孔内气泡造成的过孔局部铜薄是理论推断而来。目前对此问题，没有杜绝缺陷的措施，但是通过摆动和震荡、射流等方式可以有效改善。2.2过孔断路2.2.1过孔断路现象展示2.2.2失效模式分析第一种可能：一般由于化学电镀铜时，背光不良，没有沉铜层层，以致全板电镀时不镀铜，最终二通电镀后仍没有镀铜第二种可能：化学电镀铜前，孔内钻孔残留的粉尘或杂质等塞孔，化学铜工艺过程处理时，没有去除掉粉尘或杂质，而导致没有化学铜层，最终孔内断路第三种可能：在图形线路形成后的电镀铜、锡过程，作为保护层锡，由于塞孔和镀锡液（设备）等原因造成，孔内没有电镀锡或镀锡不良，在蚀刻过程没有保护作用，出现孔断路。2.2.3改善措施的建立1）众所周知PCB制造过程中的一个关键的环节就是孔金属化流程，这一过程使非导电的绝缘通孔转化为活性的导电通孔。如果PTH沉铜出现异常就直接影响到金属化通孔的导电性，而衡量这一工序能力的主要检测指标就是背光和沉铜厚度。选择优越的化学镀铜药液，控制背光和沉铜厚度满足工艺要求，将有效避免因化学镀铜问题而引起的孔内断路问题2）对于化学镀铜前，过孔粉尘、杂质的清洗良好，也会减少孔内断路的发生。3）对于图形电镀锡保护层的过程中，药水维护和设备震荡、摆动可有效提高孔壁镀锡性能，后续蚀刻时起到保护作用，不再因镀锡问题而产生孔内断路。3、微孔测试原理广泛的通断测试基于欧姆定律，在再工业测试机上的应用体现为4线2端子和4线4端子设计，下面简要描述两种设计原理：3.14线2端子原理由于电压计V的内阻非常大，从定电流源输出的电流i基本上不通过电压计（可以忽略不计），而是全部流入被测线路板。因此电压计测出来的下降电压V变成虚线箭头所示位置值，由于不受定电流源和探针之间导通电阻的影响，因此可以相对高精度0.5欧姆测定电阻值R=U/I（R=R′+R〃），但是，由于探针和Net之间存在接触电阻，当Net阻值变小到毫欧姆时，就需要考虑探针和Net接触电阻部分了。3.24线4端子原理4四线2端子测定法测试电阻值相对较大的Net时精确度较高，但是Net电阻值相对较小时，则无法忽略探针和测试点之间的接触电阻，精确度就会下降。针对这一问题，可以使用4线4端子测定法，如上图所示，接触电阻的影响消失，R=U/I可以进行误差极小的电阻测定。4线4端子测定时把一根探针头部进行超细微加工，通过分割定电流源的输入输出端子（sourceofforce）和电压计的输入输出端子（sense），使用kelvin探针实现。我司使用的4线4端子测试法：下表是微电阻测试能力一览4、过孔缺陷与微阻测试有机结合电镀孔内铜薄和孔内断路是不可容忍的缺陷，一般对过孔的检测通过普通的通断电测手段，普通电测手段将过孔断路可以检测出，但对于过孔铜薄，微连接的现象不能检测出来，过孔铜薄但微连接的产品流入客户在高温焊接过程，局部薄铜或微连接位置由于经过多次热冲击，而出现孔断裂。为解决此困惑，我们采取对微孔测试电阻衡量孔内镀铜厚度。并检验和改善生产过程的微小孔和厚径比大的PCB板电镀铜质量。下面是一组不同厚径比的孔内切片铜厚数据：板厚/孔径0.2mm0.25mm0.3mm0.35mm0.4mm0.45mm0.8mm26.16224.447520.57424.63822.60624.6381.0mm26.41625.65425.426.92425.64429.4641.1mm23.62224.757525.11825.86224.1326.4161.2mm25.14624.89225.65427.43227.43227.4321.5mm21.08222.8622.91423.11424.89225.1461.6mm18.79620.82820.82822.09821.84426.672.0mm16.76417.27217.272818.28818.28819.8122.4mm16.00216.5117.52616.2563.2mm11.68413.46212.19215.494（孔中心电镀铜厚度数值）（数据演示图表）根据数据及镀铜厚度图示总结：1）≤1.6mm板厚，厚径比≤8：1时，微孔孔中心铜厚度24.48um2）1.6＜板厚≤2.0mm，4：1＜厚径比≤10：1，微孔孔中心铜厚镀=17.9um3）＞2.0mm板厚，5：1＜厚径比≤11：1，微孔孔中心铜厚镀=14.89um检验孔内镀铜薄和局部异常铜薄的问题有了实验数据基础。5、过孔缺陷与微阻测试结合的应用实例过孔微阻理论计算公式:R=ρL/s=ρL/π(Dχ-χ2)χ镀铜厚度；D孔直径；L电路板厚；下图根据我司使用南京协力飞针测试设备而编写的微阻计算模拟器研究并改善孔内局部铜薄-通孔铜薄的缺陷，解决普通通断测试无法反应出孔内铜厚的问题。如下：理论计算模拟器，说明如果微阻测试阻值超过2.215m○，则出现孔内铜薄。如果微阻测试阻值超过5.766m○，则出现通孔铜薄。局部孔内铜薄时过孔微阻计算公式：R=R1+R2=ρηL/π(Dχ-χ2)+ρ(1-ηL)/π(DУ-У2)ρ电阻率=0.01673η孔铜薄占孔的比例；χ镀铜薄区域，镀铜厚度；У镀铜厚度合格区域，镀铜厚度；D孔直径；L电路板厚；过孔有局部铜薄渐变成通孔铜薄时的微阻变化趋势图：图标数据表明：随着孔壁缺陷位置的增大，微孔电阻值增大，接近正比关系。在孔内气泡与通孔铜薄两个极限之间，其微阻差值变化约4mO。这个差值理论阻值与实测阻值对比图经研究发现：实测阻值与理论阻值存在误差，≤1.2mm板厚时，实测阻值低于理论阻值约0.2-0.5mO，随着孔径增