印制電路板電鍍銅顆粒缺陷的成因分析

印制電路板電鍍銅顆粒缺陷的成因分析詹世敬;鄭凡;江杰猛【摘要】針對某印制電路板(PCB)全板電鍍后出現(xiàn)呈規(guī)律分布的銅顆粒缺陷進行原因分析.從PCB化學沉銅和酸銅電鍍兩方面分析了銅顆粒的影響因素，結合PCB板鍍銅的工藝流程進行對比試驗，得出銅顆粒產生的主要原因，探討了銅顆粒的產生機理，并提出了相應的預防措施.【期刊名稱】《電鍍與涂飾》【年(卷)，期】2014(033)021【總頁數(shù)】3頁(P932-934)【關鍵詞】印制電路板;化學沉銅;酸銅電鍍;銅顆粒缺陷;原因【作者】詹世敬;鄭凡;江杰猛【作者單位】廣州杰賽科技股份有限公司，廣東廣州510310;廣州杰賽科技股份有限公司，廣東廣州510310;廣州杰賽科技股份有限公司，廣東廣州I510310【正文語種】中文【中圖分類】TQ153.14在印制線路板(PCB)中，全板電鍍的表面缺陷主要有銅粒、凹痕、凹點、板面燒焦、層次電鍍、表面氧化等。其中銅粒主要在沉銅全板鍍銅/圖鍍工序產生，其影響極為嚴重，不僅會引起線路短路、開路，表觀不良，貼膜不牢，金手指粗糙等缺陷，而且難以修理和返工，漏檢后大多會造成報廢。但有關PCB電鍍銅顆粒的成因研究鮮見報道［1］。常用的硫酸銅電鍍在PCB電鍍中占有極為重要的地位，酸銅電鍍的好壞直接影響電鍍銅層的質量和機械性能，并對后續(xù)加工產生一定的影響。因此如何控制好酸銅電鍍的質量是PCB電鍍中的重要一環(huán)，也是很多印制線路板廠工藝控制較難的工序之一。本文針對全板電鍍后出現(xiàn)的一種有規(guī)律的板面銅顆粒進行深入分析，找到銅顆粒產生的根本原因，并簡單分析了其反應機理，為此類問題的預防與控制提供理論依據。1問題描述圖1為含有銅粒缺陷鍍銅板的照片。從圖1缺陷處看，銅顆粒并非整板隨機分布，而是呈一定規(guī)律的條狀分布；不良率約為50%，并非所有的生產板都存在此類問題。圖1鍍銅后含銅粒缺陷的PCB照片F(xiàn)igure1PhotoofPCBwithcopperparticledefectaftercopperplating2銅顆粒影響因素通過頭腦風暴法，從人、機、料、法、環(huán)這5個方面繪制出可能造成PCB電鍍銅顆粒的魚骨原因分析圖，見圖2。結合圖2和現(xiàn)場排查，將缺陷定位在設備治具和生產方法上。2.1化學沉銅工藝方面的因素PCB板沉銅的工藝流程為：除油-微蝕-活化-加速-化學沉銅。圖2板鍍銅顆粒產生原因的魚骨分析圖Figure2FishbonediagramforanalysisoftheformationofcopperparticledefectduringplatingprocessofPCB以上任一工序中的任一參數(shù)出現(xiàn)偏差都有可能導致銅顆粒缺陷。除板面氧化造成的銅粒以外，沉銅工序弓I起的板面銅粒在板面上的分布一般較為均勻，規(guī)律性較強，并且無論導電與否，在某一部位產生的污染都會導致電鍍銅板面生成銅粒。2.2板鍍工藝方面的因素酸銅電鍍槽本身一般不會造成板面銅粒，因為非導電性顆粒最多造成板面漏鍍或凹坑。銅缸造成板面銅粒的原因大致歸結為槽液參數(shù)維護、生產操作、物料和工藝維護幾個方面。槽液參數(shù)維護方面包括硫酸含量過高，銅含量過低，槽液溫度低或過高。特別是沒有溫控冷卻系統(tǒng)的工廠，溫度過高會造成槽液的電流密度范圍下降，按照正常的生產工藝操作可能會在槽液中產生銅粉。生產操作方面主要是設定電流過大，夾板不良，空夾點，槽中掉板靠著陽極溶解等，同樣會造成部分生產板電流過大，產生銅粉掉入槽液，逐漸形成銅粒缺陷。物料方面主要是磷銅球的磷含量和磷分布均勻性問題。生產維護方面主要是大處理，銅球添加時掉入槽中，特別是碳處理時陽極和陽極袋的清洗，很多工廠都處理不好，存在一些隱患。碳處理時應將銅球表面清洗干凈，并用雙氧水微蝕出新鮮銅面。陽極袋應先后用硫酸加雙氧水混合液浸泡，再用堿液浸泡，并清洗干凈。陽極袋則要用間隙為5-10pm的PP濾袋［1］。另外，由于此缺陷有一定的規(guī)律性，可能與生產治具有關。從以上影響因素看，此類缺陷與沉銅過程和電鍍銅缸前處理等的異常關系較大，通過對現(xiàn)場沉銅以及電鍍工藝的梳理，初步判定沉銅沉積速率、加速、板鍍的前處理以及沉銅治具為主要影響因素，需要設計試驗重點進行層別。3試驗3.1流程設計PCB從沉銅到板鍍之間的主要流程為：薄板架上板-沉銅-水洗-除油-水洗-酸浸一板鍍。板鍍有2種電鍍方式，即一次鍍夠和正常板電鍍。一次鍍夠板和正常板在流程上的主要區(qū)別是一次鍍夠板采用電鍍薄板架方式上板（如圖3所示）。圖3薄板掛具上板示意圖Figure3Schematicdiagramforthinboardhangingonrack3.2根據流程設計對比試驗根據沉銅板鍍的工藝流程，設計相應的再現(xiàn)性試驗，找到造成板面粗糙的主要原因。試驗后采用金相顯微鏡觀察銅面的表觀狀況，觀察銅顆粒的結晶大小和顆粒的嚴重程度。通過水晶膠切片在高倍顯微鏡下觀察銅顆粒的內部形態(tài)和形成時間，試驗方案和結果見表1和表2。表1不同生產線工藝流程的影響Table1Effectsofdifferentprocessflowsofdifferentproductionlines表2PCB電鍍銅掛具層別試驗結果Table2ResultsofstratificationtestforracksofcopperplatingonPCB1）連續(xù)使用2次以上、表面沉積1次以上的薄板架。2）架子中間沒有鐵絲間隔。3）使用硝酸去除沉積層后的薄板架。從表1可知，通過異常放大后的實驗都有銅顆粒產生，但從銅顆粒的分布來看，呈無規(guī)律分布，與本文所要闡述的問題不一致，而從影響程度上看，沉銅的影響較大。從表2可知，連續(xù)使用的薄板掛籃生產的一次鍍夠板有銅顆粒缺陷，觀察發(fā)現(xiàn)其銅顆粒分布與本文的相同。4討論綜合以上分析，將生產控制點全面排查后，發(fā)現(xiàn)生產薄板（一次鍍夠板）所用的沉銅掛籃和板鍍的掛架沒有明確的保養(yǎng)方式和頻率，結合實際生產中出現(xiàn)銅粒的問題板的切片（圖1）和規(guī)律分析可知，掛籃上隔離線對應的板面都有掛籃印，板鍍后板面的銅粒也基本上是呈條狀分布，與圖3劃圈處一致。另外，從顆粒的微觀形貌（圖4）可看出銅顆粒中無任何雜質。圖4銅顆粒的內部狀況Figure4Internalstateofcopperparticle綜上可知，板表面的銅顆粒具有以下特點：銅粒形態(tài)基本都呈條狀，有規(guī)律性。銅粒未包裹雜質、碳粉等污染物，為實心銅粒。問題板基本都是由使用薄板掛籃生產所得。對比試驗發(fā)現(xiàn)，使用連續(xù)運轉的薄板掛籃生產出來的板都有銅顆粒，用硝酸剝掛干凈的薄板掛籃生產出來的板都沒有銅顆粒。據此對銅顆粒的產生機理分析如下：沉銅槽中會出現(xiàn)化學鍍銅浴分解的現(xiàn)象，有時被認為是〃觸發(fā)”作用，由化學鍍銅浴快速鍍出銅造成。其本質是銅的還原反應已失控，一旦開始就難以停止，最終結果是鍍槽表面都鍍上銅。配方錯誤引起的鍍銅液觸發(fā)分解很少見，主要原因是過程控制不當、工藝問題與維護不佳等使過多的活化劑被帶入鍍液內。其中，沖洗不當和掛具不良是帶入活化劑的最主要原因。帶入的金屬材料與銅末都會觸發(fā)鍍液分解。使用未及時剝掛的沉銅掛籃生產時，由于多次使用，掛籃上特氟龍材質的隔離線上會累積更多的活化液，使線的附近形成一個區(qū)域性的〃觸發(fā)”[2]，分解出的銅便附著在對應部位的表面；因為分解過程較為快速，所以對應的銅層松散，并且有細微毛刺和凸起，電鍍時就會放大而形成銅粒。這一反應機理假設可解釋以下試驗事實：銅粒形態(tài)有規(guī)律。銅粒內未包裹雜質、碳粉等污染物，為實心銅粒。5結語PCB沉銅時，若掛籃不剝掛干凈或殘留活化液未去除，板面將會形成嚴重的銅顆粒