PCB镀层缺陷成因分析及其对策

PCB鍍層缺陷成因分析及其對策[摘要]分析了金属化孔镀层的主要缺陷及产生原因，从各主要工序出发，提出了如何优化工艺参数，进行严格的工艺及生产管理，以保证孔化质量的方法。[关键词]多层印制板，金属化孔，镀层缺陷1前言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。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→蚀刻→丝印阻焊→热风整平→丝印字符本文将从钻孔工序、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。2．1钻孔工序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。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。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。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。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。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。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。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。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。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上盖板的使用钻孔时使用的上盖板，可以起以下几个方面的作用：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。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0．2~0．4mm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。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。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。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。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。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：2．2．1选用最佳工艺参数以安美特公司溶液为例，其参数为：1)溶胀剂SecuriganthP：450～550ml/L，最佳500ml/L。PH校正液：15～25ml/L，最佳23ml/L。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。氢氧化钠NaOH：30～50g／L，最佳40g／L。工作温度：60～80℃，最佳70℃。处理时间：12分。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。工作温度：50℃。处理时间：5分。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。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。2．3电镀工序2．3．1电镀前的板材处理——化学粗化为了保证化学镀铜层与基体铜箔的结合力，在化学镀铜(沉铜)前，必须对铜箔表面进行一次微粗化(微蚀)处理，处理方法一般采用化学浸蚀，即：通过化学粗化液的微蚀作用，使铜箔表面呈现凹凸不平的微观粗糙面，并产生较高的表面活化能。印制板镀铜工艺中常用的微蚀液有：过硫酸铵(NH4)2S2O8、双氧水H2O2及过硫酸钠(Na2)2S2O8三种体系。前者溶液不稳定、易分解，因而微蚀速率不易恒定；H2O2—H2SO4体系虽使用方便，甚至可以自动添加来调整浓度，但需用H2O2稳定剂及润浸剂，价格不低，且微蚀速率较低，一般为0．5～0．6μm／Min；而(Na2)2S2O8—H2SO4蚀刻液，微蚀铜速率较大，且较稳定，可以提供较合适的微观粗糙面，从而保证化学镀铜层热冲击不断裂。要使孔壁铜镀层288℃热冲击10秒不断裂或不产生裂纹，微蚀液蚀刻铜速率必须达到0.7(0.9μm/Min，(Na2)2S2O8—H2SO4体系可以实现此目的。工艺配方：(Na2)2S2O8：60～80g/l，最佳70g／l。H2SO4：15ml/L。Cu2+：1～20g／l。工作温度：30～50℃。处理时间：2分。1)每天生产前，对(Na2)2S2O8浓度进行分析，必要时调整。2)每天生产前，测一次蚀刻速率，用18μm铜箔试片浸在蚀刻液