PCB多層板金屬化孔工藝缺陷原因

1、鉆孔工序大多數(shù)鍍層空洞部位都伴隨出現(xiàn)鉆孔質量差引起的孔壁缺陷，如孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及環(huán)氧樹脂膩污等。由此造成孔壁鍍銅層空洞，孔壁基材與鍍層分離或鍍層不平整。下面，將對孔壁缺陷的成因及所采取的措施進行闡述:(1)孔口毛刺的產生及去除無論是采用手工鉆還是數(shù)控鉆，也無論是采用何種鉆頭和鉆孔工藝參數(shù)，覆銅箔板在其鉆孔過程中，產生毛刺總是不可避免的?？卓诿虒τ诮饘倩踪|量的影響歷來不被人們所重視，但對于高可靠性印制板的金屬化孔質量來講，它卻是一個不可忽視的因素。首先，孔口毛刺會改變孔徑尺寸，導致孔徑入口處尺寸變小，影響元器件的插入。其次，凸起或凹陷進入孔內的銅箔毛刺，將影響孔金屬化過程中電鍍時的電力線分布，導致孔口鍍層厚度偏薄和應力集中，從而使成品印制板的孔口鍍銅層在受到熱沖擊時，極易因基板熱膨脹所引起的軸向拉伸應力造成斷裂現(xiàn)象。傳統(tǒng)的去毛刺方法是用200(400號水砂紙仔細的打磨。后來發(fā)展到用碳化硅磨料的尼龍刷機械拋刷。但隨著印制板技術的不斷發(fā)展，9(18微米超薄型銅箔的推廣應用，使印制板加工過程中的去毛刺技術也發(fā)生了很大變化。據(jù)報道，國外己開始采用液體噴砂研磨法來去除孔口毛刺。一般來說，對于去銅箔厚度在18微米以上的覆銅箔層壓板孔口毛刺，采用機械拋刷法是十分有效的，只是操作時，必須嚴格控制好刷轆中碳化硅磨料的粒度和刷板壓力，以免壓力過大和磨料太粗使孔口顯露基材。用于去毛刺的尼龍刷轆中，碳化硅磨料的粒度一般為320(380#?，F(xiàn)代的雙面去毛刺機共有四個刷轆，上下各半，能一次性將覆銅箔板兩面的孔口毛刺同時去除干凈。在去除同樣一面的孔口毛刺時，兩個刷轆的轉動方向是相反的。一個沿順時針方向轉動，一個沿反時針方向轉動，加上每個刷轆的軸向擺動，使孔口毛刺受到沿板面各個方向上刷板力的均勻作用，從而被徹底地除去。去毛刺機必須配備高壓噴射式水沖洗段。液體噴砂研磨法，是利用一臺專用設備，將碳化硅磨料借助于水的噴射力噴射在板面上，從而達到去毛刺的目的。(2)孔壁粗糙、基材凹坑對鍍層質量的影響在化學鍍銅體系良好的狀態(tài)下，鉆孔質量差的孔壁容易產生鍍銅層空洞。因為在孔壁光滑的表面上，容易獲得連續(xù)的化學鍍銅層，而在粗糙的鉆孔孔壁上，由于化學鍍銅的連續(xù)性較差，容易產生針孔;尤其是當孔壁有鉆孔產生的凹坑時，即使化學鍍層很完整，但是在隨后的電鍍銅時，因為有電鍍層折疊現(xiàn)象，電鍍銅層也不易均勻一致，在鉆孔凹坑處，容易存在鍍層薄，甚至鍍不上銅而產生鍍層空洞。(3)環(huán)氧樹脂膩污的成因我們知道，印制板鉆孔是一個很復雜的加工過程，基板在鉆頭切削刃機械力，包括剪切、擠壓、扯裂、摩擦力的作用下，產生彈性變形、塑性變形與基材斷裂、分離形成孔。其中，很大部分機械能轉化為熱能。特別是在高速切削的情況下，產生大量熱能，溫度陡然升高。鉆孔時，鉆頭溫度在200?以上。印制板基材中所含樹脂的玻璃化溫度與之相比要低得多。軟化了的樹脂被鉆頭牽動，膩在被切削孔壁的銅箔斷面上，形成膩污。清除膩污較困難，而且一旦在銅箔斷面上有一定量的膩污，會降低甚至破壞多層板的互連性。(4)避免鉆孔缺陷產生，提高鉆孔質量的途徑孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及環(huán)氧樹脂膩污等缺陷，可通過加強以下幾方面的工藝、質量控制，得以去除或削弱，從而達到提高鉆孔質量的目的。鉆頭的質量控制鉆頭本身的質量，對鉆孔的質量起著極為關鍵的作用，要求碳化鎢合金材料的粒度必須非常細微，應達到亞微級。碳化鎢合金無疏孔能耐磨，鉆柄與切削刃部分的直徑公差，均在0(0.005mm范圍內，整個鉆部、鉆尖及柄部同心度公差在0.005mm以內，鉆頭的幾何外形無缺損，即在40倍放大鏡下觀察，應無破口。一只好的鉆頭還應該具備另外一個特性，即對稱性。鉆頭的兩面在尺寸和形狀上必須相同。對稱性差會產生磨損鉆頭刃。為了保證鉆頭質量，必須對供貨廠家嚴格選擇，應從質量信得過的鉆頭生產廠家進貨。并對鉆頭進貨進行檢驗，不合格的產品不準用于生產。鉆頭的形狀選擇鉆頭的主要形狀，一般分為普通型及錐斜型、鏟型和特殊型，對于小孔特別是多層板小孔，最好采用后三種，后三種的特點是刃帶的長度比較短，一般為0.5mm左右，它們可以明顯減少鉆孔的發(fā)熱量，減少沾污。鉆頭排溝槽的長度鉆頭排溝槽的長度，對排屑是否順利起著至關重要的作用。如果排屑的溝槽太短，鉆屑無法順利排山，鉆孔的阻力增大，易造成鉆頭斷裂，且易沾污孔壁。所以，一般情況下，鉆頭排屑槽的長度，應為所疊板厚(包括上蓋板)加上鉆頭進入下墊板深度和的1.15倍，即應使排屑槽的長度，至少有15%部分留在板外。2、孔壁去樹脂沾污及凹蝕處理工序首先應該指出，凹蝕與去沾污是兩個互為關聯(lián)，但又相互獨立的概念和工藝過程。所謂凹蝕，是指為了充分暴露多層板的內層導電表面，而控制性地去除孔壁非金屬材料至規(guī)定深度的工藝。所謂去沾污，是指去除孔壁上的熔融樹脂和鉆屑的工藝。顯然，凹蝕的過程也是去沾污的過程。但是，去沾污工藝卻不一定有凹蝕效應。盡管人們選擇優(yōu)質基材、優(yōu)化多層板層壓及鉆孔工藝參數(shù)，但孔壁環(huán)氧沾污仍不可避免。為此，多層板在實施孔金屬化處理之前，必須進行去沾污處理。為進一步提高金屬化孔與內層導體的連接可靠性，最好在去沾污的同時，進行一次凹蝕處理。經過凹蝕處理的多層板孔，不但去除了孔壁上的環(huán)氧樹脂粘污層，而且使內層導線在孔內凸出，這樣的孔，在實現(xiàn)了孔金屬化之后，內層導體與孔壁層可以得到三維空間的可靠連接，大幅度提高多層板的可靠性。凹蝕深度一般要求為5(10微米。為使高錳酸鉀去沾污及凹蝕處理獲得均衡腐蝕速率，必須做好工藝技術管理及維護工作，具體是:(1)選用最佳工藝參數(shù)以安美特公司溶液為例，其參數(shù)為:1)溶脹劑SecuriganthP:450(550ml/L，最佳500ml/L。PH校正液:15(25ml/L，最佳23ml/L?；驓溲趸cNaOH:6(10g/L，最佳10g/L。工作溫度:60(80?，最佳70?。處理時間:5分30秒。2)高錳酸鉀KMnO4:50(60g/L，最佳60g/L。氫氧化鈉NaOH:30(50g/L，最佳40g/L。工作溫度:60(80?，最佳70?。處理時間:12分。3)還原劑SecuriganthP:60(90ml/L，最佳75m1/L。55(92g/L，最佳92g/L。硫酸H2SO4:玻璃蝕刻劑:5(10g/L，最佳7.5g/L。工作溫度:50?。處理時間:5分。(2)每周測定一次高錳酸鉀KMnO4、錳酸鉀K2MnO4、氫氧化鈉NaOH濃度，必要時，調整KMnO4及NaOH濃度。(3)可能情況下，堅持連續(xù)不斷的電解，使錳酸鉀K2MnO4氧化為高錳酸鉀KMnO4。(4)觀察KMnO4去樹脂沾污后的印制板表面顏色，若為紫紅色，說明溶液狀態(tài)正常;若為綠色，說明溶液中K2MnO4濃度太高，這時應加強電解再生工作。3、電鍍工序(1)電鍍前的板材處理--化學粗化為了保證化學鍍銅層與基體銅箔的結合力，在化學鍍銅(沉銅)前，必須對銅箔表面進行一次微粗化(微蝕)處理，處理方法一般采用化學浸蝕，即:通過化學粗化液的微蝕作用，使銅箔表面呈現(xiàn)凹凸不平的微觀粗糙面，并產生較高的表面活化能。印制板鍍銅工藝中常用的微蝕液有:過硫酸銨(NH4)2S2O8、雙氧水H2O2及過硫酸鈉(Na2)2S2O8三種體系。前者溶液不穩(wěn)定、易分解，因而微蝕速率不易恒定;H2O2-H2SO4體系雖使用方便，甚至可以自動添加來調整濃度，但需用H2O2穩(wěn)定劑及潤浸劑，價格不低，且微蝕速率較低，一般為0.5(0.6靘/Min;而(Na2)2S2O8-H2SO4蝕刻液，微蝕銅速率較大，且較穩(wěn)定，可以提供較合適的微觀粗糙面，從而保證化學鍍銅層熱沖擊不斷裂。2)選用低的陰極電流密度和長電鍍時間。3)在保證鍍銅液三種攪拌方式陰極移動、壓縮空氣攪拌、循環(huán))的基礎上，在運行桿上安裝振動裝置。有了振動裝置，陰極不僅有前后擺動，而且有上下振動，這就必然促進電鍍液在小孔中的交換，從而提高鍍液的分散性能，即使孔口與孔中心的鍍層厚度差變小。采用上述三點措施，大大提高了小孔鍍層的均勻性和提高了深鍍能力，避免了孔壁鍍層薄甚至鍍層空洞的產生，從而提高了小孔的孔金屬化質量。4、多層板層壓工序信息技術革命的發(fā)展，促進了印制電路層數(shù)的增加、布線密度的提高、結構的多樣化及尺寸的允差減小，因而，層壓工序成了多層板生產的關鍵。層壓工藝主要包括內層板的處理和層壓兩部分。其中，對多層印制板的孔金屬化質量，起至關重要作用的主要有以下兩個方面:(1)層壓材料固化作用應完全這里指的層壓材料，主要指內層板單片和層壓工序結束后的多層印制板。1)內層板單片在下料后，應根據(jù)單片厚度情況，控制每疊板的數(shù)量，水平擺置進行預烘處理;2)層壓工序結束后的多層印制板，應進行后烘固化處理，且必須在鉆孔工序前進行，不應放在鉆孔后進行。如果沒有上述兩道工序，層壓板材料固化作用不充分，就容易產生環(huán)氧沾污，影響鉆孔質量。且對固化不完全的層壓板鉆孔時，大量粘滯性很強的切屑會塞滿鉆孔的排屑槽內，無法排除，最終可能造成鉆頭折斷。(2)優(yōu)化層壓工藝，減少粉紅圈現(xiàn)象的產生所謂粉紅圈，是指通過孔壁與內層銅環(huán)的交界處，其孔環(huán)銅面的氧化膜已經變色，或由于化學反應而被除去，露出銅的本色(粉紅色)的現(xiàn)象。隨著印制板層數(shù)的增加，內層銅箔與孔交接處剝離的可能性增加;隨著孔徑的減小，孔清洗的難度增加，化學物質沿孔壁各層交界處滲透腐蝕的可能性增加。所以，層數(shù)越多，孔越小，越會發(fā)生粉紅圈現(xiàn)象。粉紅圈往往在印制板制作的后期才被發(fā)現(xiàn)，影響多層板的產品質量。首先，會影響多層板層間的結合力;其次，溶液順著玻璃纖維的方向滲入，使得靠得很近的焊盤之間的絕緣電阻降低，嚴重時導致短路;此外，由于銅環(huán)接觸面積變小，通常金屬化孔所允許的小的瑕疵，如鍍層鼓泡、空洞等，都可能導致孔。5、產生孔金屬化鍍層缺陷的其它幾種因素及相應對策(1)由氣泡存在所造成的金屬化孔鍍層空洞。總的來說，孔中氣泡的存在，可能阻礙鍍液或活化液層積。最終造成金屬化孔內鍍層空洞。氣泡的裹入，有外部引入和內在產生兩種。氣泡引入途徑:外來氣泡的引入，有可能是在板子進入槽中時，或振動、搖擺時進入通孔中的。固有氣泡的引入，是由化學沉銅液中，副反應產生氫氣引起:2HCHO十2CU2+十4OH-?Cu十2HCOO-十2H2O十H2?或由電鍍液中，陰極產生氫氣或陽極產生氧氣所引起的:陰極副反應:2H++2e?H2陽極副反應:2H2O-4e?O2?+4H+氣泡引起的金屬化孔鍍層空洞特征:氣泡引起的金屬化孔鍍層空洞，常常位于孔的中央，通過金相切片可見其呈對稱分布，即對面孔壁表面有同樣寬度范圍內無銅。氣泡空洞可能產生的工序:氣泡空洞可能產生的工序主要有化學沉銅、全板電鍍和圖形電鍍工序。避免氣泡進入孔中的方法:最有效的避免氣泡進入孔中的方法為振動和碰撞。同時，增加板面間隔，增加陰極移動距離也十分重要?；瘜W沉銅槽中空氣攪拌和活化槽撞擊或振動，對避免氣泡進入孔中作用不大。此外，增加化學沉銅潤濕性，前處理槽位避免氣泡也十分重要。鍍液的表面能量與氫氣氣泡在跑出孔中或破滅前的尺寸有關，顯然希望氣泡在變大前排除了孔外，以免阻礙溶液交換，造成孔中鍍層缺陷。(2)由有機干膜所造成的金屬化孔鍍層空洞。有機干膜所造成的金屬化孔鍍層空洞特征:有機干膜造成的金屬化孔鍍層空洞，往往位于孔口，即位于離板面較近的位置，大約50(70靘寬，離板面50(70靘。邊緣空洞可能位于板一面或兩面，可能造成完全或部分開路。造成干膜抗蝕劑入孔的原因:對于被有機干膜覆蓋的孔，孔中氣壓比大氣壓要低2O%，貼膜時，孔中空氣熱，當空氣冷到室溫時，氣壓降低。因而，壓差導致抗蝕劑慢慢流入孔中，直至顯影?？卓诳斩闯梢?由于抗蝕劑進入孔內，顯影時未去掉，它阻礙銅、錫電鍍。當抗蝕劑在去膜時去掉后，下部的銅層被裸露出來，因而，一經蝕刻，銅層被蝕刻掉，形成了鍍層空洞。避免孔口空洞產生的措施:避免孔口空洞產生的最佳及最簡單的辦法是，在表面處理后增加烘干程