环球电镀网
当前位置: 首页 » 电镀技术 » 电镀百科 » 正文

印制电路板镀层缺陷成因分析及其对策

放大字体  缩小字体发布日期:2012-11-06  浏览次数:770
核心提示: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。
 

[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。

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

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Securiganth P: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工作槽中,记下铜箔腐蚀完时间,从而可以快速、简便地测定蚀刻速率,必要时补加(Na2)2S2O8。

3)溶铜量大于20g/l时,更换溶液。刚开缸时,蚀刻速率较小,可以适当增加(Na2)2S2O8浓度。

2.3.2 优化电镀工艺参数

对高密细线条、高层次(14~20层)、大板后孔径比(6~10:1)的小孔镀来说,最大的难点是:镀液在孔中难交换及电镀的均匀性、分散性能差。为此,必须优化电镀工艺参数。

1)选用低Cu2+、高H2SO4浓度的主盐成份,且H2SO4与Cu2+浓度比至少是10:1。

Cu2+:10~13g/L

H2SO4:190~220g/L

Cl-:30~50ppm

[H2SO4]:[Cu2+]=17~20:l

温度:22~26℃

2)选用低的阴极电流密度和长电镀时间。

3)在保证镀铜液三种搅拌方式阴极移动、压缩空气搅拌、循环)的基础上,在运行杆上安装振动装置。

有了振动装置,阴极不仅有前后摆动,而且有上下振动,这就必然促进电镀液在小孔中的交换,从而提高镀液的分散性能,即使孔口与孔中心的镀层厚度差变小。

采用上述三点措施,大大提高了小孔镀层的均匀性和提高了深镀能力,避免了孔壁镀层薄甚至镀层空洞的产生,从而提高了小孔的孔金属化质量。

2.4 多层板层压工序

信息技术革命的发展,促进了印制电路层数的增加、布线密度的提高、结构的多样化及尺寸的允差减小,因而,层压工序成了多层板生产的关键。

层压工艺主要包括内层板的处理和层压两部分。其中,对多层印制板的孔金属化质量,起至关重要作用的主要有以下两个方面:

2.4.1 层压材料固化作用应完全

这里指的层压材料,主要指内层板单片和层压工序结束后的多层印制板。

1) 内层板单片在下料后,应根据单片厚度情况,控制每叠板的数量,水平摆置进行预烘处理;

2) 层压工序结束后的多层印制板,应进行后烘固化处理,且必须在钻孔工序前进行,不应放在钻孔后进行。

如果没有上述两道工序,层压板材料固化作用不充分,就容易产生环氧沾污,影响钻孔质量。且对固化不完全的层压板钻孔时,大量粘滞性很强的切屑会塞满钻孔的排屑槽内,无法排除,最终可能造成钻头折断。

2.4.2 优化层压工艺,减少粉红圈现象的产生

所谓粉红圈,是指通过孔壁与内层铜环的交界处,其孔环铜面的氧化膜已经变色,或由于化学反应而被除去,露出铜的本色(粉红色)的现象。

随着印制板层数的增加,内层铜箔与孔交接处剥离的可能性增加;随着孔径的减小,孔清洗的难度增加,化学物质沿孔壁各层交界处渗透腐蚀的可能性增加。所以,层数越多,孔越小,越会发生粉红圈现象。

粉红圈往往在印制板制作的后期才被发现,影响多层板的产品质量。首先,会影响多层 板层间的结合力;其次,溶液顺着玻璃纤维的方向渗入,使得靠得很近的焊盘之间的绝缘电阻降低,严重时导致短路;此外,由于铜环接触面积变小,通常金属化孔所允许的小的瑕疵,如镀层鼓泡、空洞等,都可能导致孔线电阻增大,甚至断路。

在印制板生产过程中,内层表面处理、层压、固化、钻孔、凹蚀、化学沉铜、镀铜等工序,都有可能导致粉红圈的产生,关键在于黑化层与基材结合是否牢固,以及黑化层耐腐蚀能力的强弱。印制板在生产过程中,要经受垂直的机械冲击力和水平的化学浸蚀力,故层间要有足够的结合力,才能抵挡住这两种作用的危害。层间抗剥离强度低、黑化层耐腐蚀能力差,是产生粉红圈现象的主要原因。

1) 提高黑化层与基材的结合力。

对铜表面进行黑化处理,使其表面生成一层氧化物(黑色的氧化铜或红色的氧化亚铜或两者的混合物),以进一步增加比表面,改善铜箔与基材的结合状况。

优化黑化工艺参数,黑化层与基材的结合能力与黑化工艺、氧化物的晶体结构、氧化物层的厚度等因素有关。

2) 提高黑化层耐腐蚀能力。

可通过减小氧化层厚度的方法。用机械方法去掉一层,也可用化学还原方法。可供选择的还原剂有:甲醛/氢氧化钠、过磷酸钠、硼氢化钠等。黑化层经还原后,不仅抗剥离强度增加而且抗酸蚀能力也增强。

2.5 产生孔金属化镀层缺陷的其它几种因素及相应对策

2.5.1 由气泡存在所造成的金属化孔镀层空洞。

总的来说,孔中气泡的存在,可能阻碍镀液或活化液层积。最终造成金属化孔内镀层空洞。气泡的裹入,有外部引入和内在产生两种。

2.5.1.1 气泡引入途径:

外来气泡的引入,有可能是在板子进入槽中时,或振动、摇摆时进入通孔中的。

固有气泡的引入,是由化学沉铜液中,副反应产生氢气引起:

2HCHO + 2Cu2++ 4OH- →Cu + 2HCOO- + 2H2O十H2↑

或由电镀液中,阴极产生氢气或阳极产生氧气所引起的:

阴极副反应:2H++2e → H2

阳极副反应:2H2O - 4e → O2↑+4H+

2.5.1.2 气泡引起的金属化孔镀层空洞特征:

气泡引起的金属化孔镀层空洞,常常位于孔的中央,通过金相切片可见其呈对称分布,即对面孔壁表面有同样宽度范围内无铜。

2.5.1.3 气泡空洞可能产生的工序:

气泡空洞可能产生的工序主要有化学沉铜、全板电镀和图形电镀工序。

2.5.1.4 避免气泡进入孔中的方法:

最有效的避免气泡进入孔中的方法为振动和碰撞。同时,增加板面间隔,增加阴极移动距离也十分重要。

化学沉铜槽中空气搅拌和活化槽撞击或振动,对避免气泡进入孔中作用不大。此外,增加化学沉铜润湿性,前处理槽位避免气泡也十分重要。

镀液的表面能量与氢气气泡在跑出孔中或破灭前的尺寸有关,显然希望气泡在变大前排除了孔外,以免阻碍溶液交换,造成孔中镀层缺陷。

2.5.2 由有机干膜所造成的金属化孔镀层空洞。

2.5.2.1 有机干膜所造成的金属化孔镀层空洞特征:

有机干膜造成的金属化孔镀层空洞,往往位于孔口,即位于离板面较近的位置,大约 50~70μm宽,离板面50~70μm。边缘空洞可能位于板一面或两面,可能造成完全或部分开路。

2.5.2.2 造成干膜抗蚀剂入孔的原因:

对于被有机干膜覆盖的孔,孔中气压比大气压要低20%,贴膜时,孔中空气热,当空气冷到室温时,气压降低。因而,压差导致抗蚀剂慢慢流入孔中,直至显影。

主要有三种因素导致干膜抗蚀剂流动的速度和深度,即:贴膜前孔里有水或水气;高厚径比小孔;贴膜与显影时间太长。

水气停在孔中是其中的主要原因,水分可以降低抗蚀剂粘度,使其较快流入孔中。高厚径比小孔较易发生空洞问题,这是由于这种孔较难干燥。小孔中的抗蚀剂也较难显影。显影前时间较长也使更多抗蚀剂流入孔中。

2.5.2.3 孔口空洞成因:

由于抗蚀剂进入孔内,显影时未去掉,它阻碍铜、锡电镀。当抗蚀剂在去膜时去掉后,下部的铜层被裸露出来,因而,一经蚀刻,铜层被蚀刻掉,形成了镀层空洞。

2.5.2.4 避免孔口空洞产生的措施:

避免孔口空洞产生的最佳及最简单的办法是,在表面处理后增加烘干程度。孔若干燥,不会发生孔口空洞。再长的放置时间和显影不佳,也不会造成孔口空洞。

增加烘干后,尽可能使贴膜与显影间的放置时间短,但要考虑稳定问题,若发生以下情况,孔口空洞可能会发生(以前没有):

1)新的表面处理设备及干燥设备安装后;

2)表面处理设备干燥段功能失常;

3)生产高厚径比小孔板;

4)贴膜与显影时间长;

5)抗蚀剂变化或换厚的干膜;

6)真空贴膜机压差更大。

2.5.3 由其它因素所造成的金属化孔镀层空洞。

固态物(尘、棉)或有机粘污的存在,同样会阻碍镀液或活化液层积,最终导致孔金属化镀层空洞。

3 结论

多层印制板金属化孔镀层缺陷的成因,控制造工序,可追溯到钻孔工序,也可以在镀铅/锡时才发生。有时,一种镀层缺陷,常常是多种工艺条件相互影响而产生的,它们可能同时作用,也可能有先后顺序。因而,沿工艺流程仔细分析,有必要时,采用金相切片技术,有可能准确地找到根本原因。在此基础上,通过优化工艺参数,进行严格工艺及生产管理,才能达到提高金属化孔镀层质量的目的。

网站首页 | 网站地图 | 友情链接 | 网站留言 | RSS订阅 | 豫ICP备16003905号-2
knee length prom dresses ralph lauren polo shirts for cheap swiss replica rolex long sleeve evening dresses replicas rolex