PCB镀通孔发生_空洞_的根本原因和对策

-31-短评与介绍ShortComment&Introduction印制电路信息2010No.4PCB镀通孔发生“空洞”的根本原因和对策林金堵吴梅珠摘要文章概述了多层板镀通孔发生“空洞”的根本原因与对策。基材、钻孔、孔壁粗糙度、孔尺寸、化学镀铜和电镀铜等都会影响PTH的“空洞”问题。关键词镀通孔；镀层“空洞”；镀层附着力；高性能基材；孔壁表面状态；化学镀铜中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：1009-0096（2010）4-0031-06TheBasicandCountermeasureofthePlatedThroughHoleVoidinginPCBLINJin-duWUMei-zhuAbstractThepaperdescribesthebasicandcountermeasureoftheplatedthroughholevoidinginPCB.Thesubstratematerial,drillinghole,hole-walltopography,holesize,electrolesscopper,andplatedcoppercansignificantlyimpactthehole-wallvoids,adhesion,andreliabilityofthePTH.KeywordsPTH(PlatedThrough-Hole);hole-wallvoids;hole-walladhesion;high-performancesubstrate;hole-walltopography;electrolesscopper目前，多层板随着高密度化发展和无铅化焊接要求等条件下，层间连接的导通孔面临着产生“空洞”等缺陷，其可靠性方面面临着严厉而复杂的挑战。这些挑战：（1）是导通孔高厚径比（孔微小化和高多层化）化和盲孔化等带来孔金属化与电镀的复杂困难度；（2）是无铅化要采用更高的Td、Tg温度的CCL（高性能）材料所带来“导通孔”的加工新问题；（3）由于无铅化焊接要求有耐更高的焊接温度、更长的高温焊接时间和快速的冷却速度，因此，导通孔内的铜镀层，不仅要有更好的延展性，而且更重要地是要与孔壁有更好的结合力，才能经得起更高的焊接条件的考验；（4）是所制造的成品要经得起更高幅度的多次“热循环”、“热冲击”（更高温度和更长的高温停留时间）等的“老化（可靠性）”考验。这些因素正是镀通孔易于发生“分层”、“起泡”、“空洞”等缺陷的主要原因。要掌握这些因素和分析这些现象与原因，应针对多层板的新情况与新变化，分析原因与因素，抓主要矛盾（问题），逐一采取新的有效措施来消除镀铜层的“空洞”、提高铜镀层的延展性及其与孔壁的结合力。导通孔产生“空洞”是指孔内镀铜层与孔壁的界面之间、或者铜镀层中存在着“无镀铜”的“空洞”。随着PCB实施无铅化焊接技术和PCB高密度化的发展，使PCB中的导通孔更易于发生“空洞”、裂缝、“剥离”等现象，特别是“空洞”问题更为突出。因此，很有必要对产生“空洞”等原因进行探讨、分析和了解，然后采取措施加以克服。1基材（CCL）对导通孔质量的影响基材（CCL）的类型将明显地关系到导通孔的“空洞”和可靠性问题。孔化与电镀Metallization&Plating印制电路信息2010No.4-32-短评与介绍ShortComment&Introduction1.1采用高Tg和低CTE的基材传统的FR-4基材是采用双氰胺为固化剂的环氧树脂系，其树脂分解温度（Td为310℃左右）低，十分接近无铅焊料的焊接温度（可高达280℃），玻璃化温度（Tg为125℃~135℃之间）也低，加上其热膨胀系数（CTE为80×10-6/℃左右）也大，因此，在高温条件下，极易在基材内部（铜箔与介质层之间、介质量内树脂与玻纤之间等）形成“分层”/“微气泡”、“微间隙”等。可以想象到，这些“分层”/“微气泡”和“微间隙”等必然会带来导通孔的“空洞（“楔入空洞”）”问题，如图1所示。图1在电镀后见到的“楔入空洞”当采用高Tg（如≥150℃）和低CTE（如50×10-6/℃左右）的基材，大量试验和应用都证明，在高温条件下处理时，在导通孔与孔壁界面间发生“裂缝”、“空洞”等缺陷就少得多，也就是说，采用高Tg和低CTE的FR-4基材比传统FR-4基材，可以减少“空洞”等缺陷、改善导通孔的可靠性。但是，制造加工过程中会带来问题，应注意加工制造的改进。1.2采用高Td（热飞机温度）的FR-4材料在传统的FR-4基材中，用酚醛树脂类取代双氰胺为固化剂的环氧树脂系，其Td温度可提高到340℃左右。比起传统FR-4材料来，可明显地提高耐热性能。实用证明：酚醛树脂类为固化剂的FR-4基材，明显地减少导通孔等的“空洞”、“分层”等缺陷，提高了层间连接的可靠性。但是，由于酚醛树脂类的“极性”很弱，加入量很大，加工较困难（脆性大），要很好地控制。同时，由于Tg温度低、CTE大，虽然有明显地改善，但是在高温的无铅焊接条件下，仍然会出现各种热缺陷的问题。因此，昀好是采用多功能或改性的FR-4环氧树脂系，即具有高Td的同时，还具有高Tg和低CTE的基材，这样的基材是可以更好地减少导通孔等的缺陷和结构残余应力，获得更高的可靠性，然而，其制造成本是较高的。1.3无卤的基材无卤的基材的昀大的改变的阻燃剂机理的变化。无卤基材是指基材树脂中的卤素（主要主要是Br、Cl）含（总）量规定不得超过900×10-6（或1500×10-6）。目前，无卤的阻燃剂大多采用含磷化学物（Phosphorous）和无机填料（如Al(OH)3等）。这些新型阻燃剂的加入和形成的结构，在孔金属化过程中，具有更难除去树脂污染（钻污）。因此，在前处理和去钻污（高锰酸钾，KMnO4）等过程中，必须重新考虑和调整操作参数，才能得到好的孔内镀铜的质量，否则，就会引起孔内镀层与内层接触不良、甚至发生“断路”（绝缘）。2层压和半固化片（树脂流动状态）的影响把经过处理的多个内层片和半固化片按要求“叠合”起来，在真空条件下加热加压形成多层板。很显然，这个“压层”质量必然影响到“钻孔”质量、特别是孔金属化与电镀铜的质量。基材和多层板的层压质量，它将影响着“钻孔”和“空金属化的质量。”在“层压”过程中，B-阶段树脂在“热”、“压”作用下产生流动排挤“气体”、完成“填塞”和“粘接”，使多层板内形成完整的“实体”，应无“凹陷”、“微气泡”和“楔入”等缺陷。如果树脂流动性差，就容易发生这些缺陷。那么，在钻孔后必然留下相应的“痕迹”，昀后也在孔金属化与电镀中形成“楔入空洞”（如前面的图1所示）。因此，必须挑选合适地半固化片（类型、树脂含量、凝胶时间和流动度等的控制）和调整适宜的层压操作参数（层压的升温的流变曲线、加高压时间、高温高压时间和冷却速度等），在优化状态下获得昀佳的CCL和多层板的性能。3钻孔孔壁质量对导通孔质量的影响PCB的孔金属化和电镀的镀通孔质量问题主要是来自于钻孔质量。因此，在检查导通孔的质量问题中，如果孔金属化和电镀的各种参数是正常时，就要很好检测钻孔的质量（特别是孔壁的形貌——孔化与电镀Metallization&Plating-33-短评与介绍ShortComment&Introduction印制电路信息2010No.4粗糙度、撕裂、钻污等）。在钻孔中主要易出现的问题有以下几个方面。3.1钻孔参数设定对孔壁质量（粗糙度等）的影响大家知道，随着PCB高密度化的发展，导通孔的尺寸（孔径）将迅速地减小，因此，为了获得好的孔金属化和镀铜的质量，在钻孔时必须做到：钻孔速度要相应地提高；钻孔的孔壁粗糙要相应地缩小。3.1.1钻孔速度要相应地提高为了保证孔壁保证孔壁质量和生产力，钻孔的速度必须随着孔径的减小而增加。假设钻孔直径由减小一倍时，为了保证原有的孔壁粗糙度和钻孔生产力，则钻速（n2）要提高一倍。也就是说，必须保持两种钻孔的“线切割速度”相同，才能保证孔壁质量相同，即V1＝V2，V1＝2πr1n1＝V2＝2πr2n2，n2＝r1n1/r2＝2n1式中：r1n1分别为直径φ0.6mm钻孔及其转速；r2n2分别为φ0.3mm时的钻孔及其转速。从式中可看出：当钻孔直径由φ0.6mm减小到φ0.3mm时，数控钻床的转速必须提高一倍，才能保证有相同的孔壁的质量和生产力，或者把进钻（给）速度降低一倍，使生产力下降一倍，来保证有相同的孔壁的质量。这就是为什么当钻孔的直径减小时，为了保证孔壁质量和生产力，必须把数控钻床的转速提高的根本原因。我曾遇到这样的问题：某PCB企业把钻孔直径减小下来，钻床转速没有提高（受钻床转速度限制）而仍保持原来的生产力（即进钻速度不变），结果经常出现孔金属化不良（如“空洞”、“楔形空洞”等）。这是因为钻孔时，进钻速度与钻头转速不匹配，进钻速度过大，钻头在旋转切割的同时，又有明显地冲击（孔）作用，因而在界面处（特别是铜箔与树脂、树脂与玻纤布之间）造成“撕裂”的缝隙等，因此，造成孔金属化带来“空洞”、“楔形空洞”等缺陷，影响导通孔的质量。这就是为什么当钻孔的直径减小时，为了保证孔壁不止和生产力，必须把数控钻床的转速的根本原因。3.1.2钻孔的孔壁粗糙要相应地缩小。为了保证孔金属化的质量。当钻孔直径不断地减小时，钻孔的孔壁粗糙度要相应地减小才行。这是因为孔经越小，处理液、镀液经过越困难，大的粗糙度会引起“驻液”或处理不到等，因而也能形成“空洞”等缺陷。因此，钻孔的孔壁粗糙度要随着孔径的减小而减小，孔壁粗糙度要求一般如表1所示。3.2钻头（嘴）质量除了钻头的结构和组成（特别是碳化钨颗粒度和钴含量等，其规律是随着钻孔直径缩小，其碳化钨颗粒度要减小、钴含量增加）外，钻头的质量——特别是钻头的刃部的锋利和完整的程度。如钻头刃部锋利不足或磨损过大（钻孔过多）、或者刃部缺口（缺陷）等，在钻孔过程中由于钻头刃部缺口、磨损不锋利等造成“撕裂”、“冲切”作用而带来孔壁的缺陷，从而形成孔金属化“空洞”等问题。如有的制造商的钻头钻孔数过多、刃磨次数太多，从而造成孔壁质量下降而影响孔金属化的“空洞”等缺陷，这样的事例也是经常发生过。因此，钻头（嘴）质量的管理（使用前检测、钻孔数和刃磨次数等）必须规范化，同时，要经常或定期检测钻孔后孔壁的“完好性”，才能保证有好的钻孔的质量，这是保证孔金属化无“空洞”等缺陷的前提。4化学镀铜孔金属化的质量，除了有好的钻孔质量为前提的保证外，化学镀铜和电镀铜的质量控制也是密切相关的。4.1孔壁清除“钻污”表面预处理4.1.1孔壁的表面状态（形貌）在化学镀铜前，对“在制板”的孔壁必须进行处理，其目的有：清除去污染（主要是树脂在钻孔过程中形成的“钻污”）以显露孔内的“铜环”；形成期望的表面形态（适宜的粗糙度和高的表面能量——活性）。表1孔壁粗糙度随着孔径减小的趋势孔径φ/µm＞600400~600300~200≤100粗糙度/µm≤50≤30≤20≤10孔化与电镀Metallization&Plating印制电路信息2010No.4-34-短评与介绍ShortComment&Introduction目前大多数的表面形态处理是采用碱性高锰酸钾清除铜环上“钻污”、微蚀刻树脂表面形成粗糙度和显露玻纤（头/丝），关键是控制好显露“树脂微蚀刻”程度和表面形态（粗糙度）。应该注意的是：由于不同基材的树脂是不同的，因此，采用碱性高锰酸钾清除铜环上“钻污”、微蚀刻树脂表面形成粗糙度和显露玻纤（头/丝）的效果也是不同的。特别是要观测孔壁铜环上树脂清除去的完整程度和介质层树脂表面形态（粗糙度等）。（1）常规的FR-4基材的处理情况。由于常规的碱性高锰酸钾清除铜环上“钻污”、微蚀刻树脂表面形成粗糙度是针对FR-4材料开发的，所以在FR-4基材上可以获得好的清除“钻污”效果和满意的表面形态结构（粗糙度），见图2。图2FR-4材料在硷性高锰酸钾处理的表面形貌（粗糙度等）由于孔壁树脂上有好的（均匀）表面粗糙度结构，既有利于钯催化剂在树脂表面形成钯“晶核”和均匀覆盖，又有利于化学镀铜与树脂间的结合（粘结）力和完整的吸附（沉铜）。（2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