PCB板金属化时导致通孔铜层空洞的各种原因分析
0 2022-05-16

当直径越来越小,越来越高时,要保证孔中的金属覆盖良好变得更加困难。而保证孔中金属的均匀一致性,保护孔中金属在及以后的掩膜及蚀刻过程中不被蚀刻掉,也变得极具挑战性。本文列出了导致铜层的许多原因,并对如何识别根本问题加以讨论,对生产工艺提出一些建议以避免这些问题。

通孔中导电层空洞因不同原因引起,表现出不同特征,但有一点是共同的,即孔中导电层的金属覆盖不充分或没有金属覆盖。从理论上讲,该问题由两种情况引起:沉积的金属不足,或在充分足量的金属沉积后,又因某种原因,失掉部分金属。不充分的金属沉积可能是由于电镀参数不当引起,如槽液的化学组成,阴极移动,,电流密度分布,或电镀时间等等。这也可能是因为孔壁表面有异物妨碍金属沉积造成,如气泡,灰尘,棉质纤维或有机膜,粘污等。若孔壁表面未经适当处理,不利于镀液沉积,也有可能导致金属沉积不好,例如:钻孔粗糙,形成裂纹,或有“粉红圈”。从通孔中将铜“吃掉”有可能是化学因素,如蚀刻造成,也可能是机构原因,如胀孔(blow-holing),裂纹或沉积层脱落。

本文按照导通孔金属化工艺步骤顺序研究在何处可能出现问题,并导致孔中空洞的步骤来分析这些缺陷和原因。并借鉴经典的问题分析解决的有用因素,如识别空洞形状,位置等,并指出更正问题的方法。

PCB板金属化时导致通孔铜层空洞的各种原因分析

1、金属化以前步骤可能导致孔中空洞的因素:

A. 钻孔

磨损的钻头或其它不恰当钻孔参数都可能撕裂铜箔与介电层,形成裂缝。玻璃纤维也可能是被撕裂而非切断。铜箔是否会从树脂上撕裂,不仅仅取决于钻孔的质量,也取决于铜箔与树脂的粘结强度。典型的例子是:多层板中氧化层与半固化片的结合往往较介电基材与铜箔的结合力更弱,故多数撕裂都发生在多层板氧化层表面。在金板中,撕裂都发生在铜箔较为光滑的一面,除非采用”反转处理的铜箔“(reve tread foil)。氧化面与半固化片不牢固结合,还可能导致更糟的“粉红圈”,即铜的氧化层在酸中溶解。钻孔孔壁粗糙或孔壁粗糙且有粉红圈都会导致多层结合处的空洞,称之为楔形空洞(wedge woids)或吹气孔(blow holes),“楔形空洞”最初处于结合交界面,它的名称也暗示:形状如“楔”,回缩形成空洞,通常可以被电镀层覆盖。若铜层覆盖这些沟,铜层后面常常会有水分,在以后的工序中,如热风整平等高温处理,水分(湿气)蒸发和楔形空洞通常一起出现。根据出现的位置与形状,很容易确认并与其它类型的空洞区分开。

B.去沾污/凹蚀

去沾污步骤是用化学方法去掉内层铜上的树脂腻污。这种腻污最初是由钻孔造成的。凹蚀是去沾污的进一步深化,即将去掉更多的树脂,使铜从树脂中“突出”,与镀铜层形成“三点结合”或“三面结合”,提高互联可靠性。高锰酸盐用于氧化树脂,并“蚀刻”之。首先需要将树脂溶胀,以便于高锰酸盐处理,中和步骤可以去掉锰酸盐残渣,玻璃纤维蚀刻采用不同的化学方法,通常是氢氟酸。若去沾污不当,可造成两种类型的空洞:在孔壁粗糙的树脂粘污可能藏有液体,可导致“吹气孔”。在内层铜上残留的粘污会防碍铜/镀铜层的良好结合,导致“孔壁拉脱”(hole wall pullaway)等,如在高温处理中,或相关的测试中,镀铜层与孔壁分离。树脂分离可能导致孔壁拉脱和裂纹以及镀铜层上的空洞。若在中和步骤中(准确讲5,当是还原反应中)锰酸钾盐残渣未完全去掉,也可能导致空洞,还原反应常常用到还原剂,如肼或羟胺等。

C.化学沉铜前的催化步骤

去沾污/凹蚀/化学沉铜之间的不匹配和各独立步骤不够优化,也是值得考虑的问题。那些研究过孔中空洞的人员都极力赞同化学处理的统一的整体性。传统的沉铜前处理顺序为清洁,调整,活化(催化〕,加速(后活化〕,并进入清(淋)洗,预浸,完全适于Mury原理。例如,调整剂,一种阳离子聚酯电解质用于中和玻璃纤维上的负电荷,往往须正确应用才能得到所需的正电荷:调整剂太少,活化层及附着不好;调整剂太多,会形成一层膜导致沉铜附着不好;以致孔壁拉脱。调整剂覆盖不充分,最容易在玻璃头上出现。在金相中,空洞开口表现在玻璃纤维处铜覆盖不好,或没有铜。其它引起在玻璃处出现空洞的原因有:玻璃蚀刻不充分,树脂蚀刻过分,玻璃蚀刻过分,催化不充分,或沉铜槽活性不好。其他影响Pd活化层在孔壁上覆盖的因素有:活化温度,活化时间,浓度等。若空洞在树脂上,可能有以下原因:去沾污步骤的锰酸盐残渣,等离子体残留物,调整或活化不充分,沉铜槽活性不高。

2、与化学沉铜有关的孔中空洞

在查看孔中空洞时,总看化学槽液是否有问题,同样再看看,化学沉铜前处理槽液,还要覆盖到化学铜,电镀铜,铅/锡槽共同问题。总的来讲,我们可以了解气泡,固态物(尘,棉)或有机物粘污,干膜可能阻碍镀液或活化液沉积。气泡褒入,有外来的和内在产生的气泡。外来气泡有时可能是板子进入槽中,或振荡摇摆时进入通孔中。而固有气泡是由化学沉铜液中附反应产生氢气引起,或电镀液中阴极产生氢气或阳极产生氧气。气泡引起的空洞有其特征:常常位于孔中央,而且在金相中对称分布,即对面孔壁有同样宽度范围内无铜。在孔壁表面镀上若有气泡,表现为小坑,空洞周围呈穗状。由尘埃,棉质品或油状膜引起的空洞,形状极不规则。有些防碍电镀或活化沉积的微粒还会被镀层金属包裹。非有机微粒可用EDX分析出,有机物可用FR检查。

有关避免气泡裹入的研究已有相当的深度。其中有许多影响因素:阴极移动摇摆幅度,板间间隔,摆动等。最有效的避免气泡进入孔中的方法为振动和碰撞。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几乎没有用。另外,增加化学沉铜湿润性,前处理潮位避免气泡也十分重要。镀液的表面能量于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于孔外,以免阻碍溶液交换。

3、干膜有关的孔中空洞

A.特征描述

孔口或孔边空洞(Rim voids),即空洞位于离板面较近的位置,它常常由位于孔中的抗蚀剂引起,大约50-70微米宽离板面50-70 微米,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。而由化学铜,电镀铜,镀铅/锡引起的空洞多位于孔中央。桶形裂纹(Barrel cracks)造成的空洞,也与干膜造成的空洞物理特征不同。

B.缺陷机理

孔口或孔边空洞是由于抗蚀剂进入孔内,显影时未去掉,它阻碍铜,锡,焊料电镀,抗蚀剂在去膜时去掉,化学铜被蚀刻掉。一般显影后很难发现孔内的抗蚀剂,空洞所在的位置和缺陷宽度是判断孔口和孔边空洞的主要依据。抗蚀剂为何流入孔中?被抗蚀剂覆盖的孔中气压比大气压低20%,贴膜时孔中空气热,空气冷到室温时气压降低。气压导致抗蚀剂慢慢流入孔中,直至显影。

主要有三种因素导致抗蚀剂流动的速度深度,即:

(1〕贴膜前孔里有水或水汽。

(2)高厚径比小孔,以0.5mm孔为例。

(3)贴膜与显影时间太长。

水汽停在孔中的主要原因,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。小孔中的抗蚀也较难显影。显影前时间较长也使更多的抗蚀剂流入孔中。表面处理与自动贴膜连线,更易发生问题。

C.避免孔口或孔边空洞

避免孔口或孔边空洞最佳及简单的办法是在表面处理后增加烘干的程度。孔若干燥,不会发生孔口或孔边空洞。再长的放置时间和显影不佳也不会造成孔口或孔边空洞。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,孔口或孔边空洞可能会发生(以前没有):

(1)新的表面处理设备及干燥设备安装后。

(2)表面处理设备及干燥段功能失常。

(3)生产高厚径比小孔板。

(4)抗蚀剂变化或换厚的干膜。

(5)真空贴膜机使用。

最坏的也是少有的情形是,抗蚀剂在孔中形成掩盖层。表现为掩膜层被推入孔中50-70微米深,由于掩膜会阻碍溶液进入,在孔的一端表现为一般的边缘空洞,空洞会延伸到大部分孔中,从孔的另一端起,镀层厚度越接近孔中央越薄。

许多印制板厂已转为直接电镀工艺,它有时与贴膜机连线,若后段烘干不充分,可能会发生孔口和孔边空洞。要使小孔充分干燥,烘干段需十分充分。

4、与掩孔有关的空洞

掩孔工艺中,如果掩膜不好会造成蚀刻剂进入孔中,蚀刻去沉积的铜。掩膜的机构损伤是动态发生的,而上下掩膜一起出现空洞的情况较少。同样,掩膜很薄弱,造成孔内负压,最终导致掩孔缺陷,这层掩膜又可以降低负压,对面的掩膜较易生存。一面的掩膜破坏,蚀刻剂进入孔中,靠破的掩膜一边的铜首先被蚀刻掉。另一面,掩膜堵住了蚀刻剂的出口,蚀刻液交流太少,故空洞图形也是较对称的,表现为一端铜厚,另一端薄。根据掩膜损伤的程度,情况也不一样,极端情况下,所有的通孔铜都被蚀刻掉。

5、直接电镀

直接电镀,避免了传统的化学沉铜,但有三类预处理工艺步骤;如:钯基体工艺,碳膜工艺,有机导电膜工艺。任何能影响催化物沉积的情形,或者是沉高分子导电膜时,单体沉积和聚合物组成物沉积能形成空洞。大多数碳膜,石墨和钯膜工艺都依赖于适当的孔壁调整,用高分子电解质阳离子与含有相反电荷的有机催化层。以达到较好的催化吸附性。自然,在化学沉铜中已经实践证实是很好的工艺处理步骤,如孔壁清洁,调整,催化沉积等都恰当地应用在直接电镀工艺中。当然,化学沉铜槽中特别的问题,如氢气产生等,不会在此发生。

在采用直接电镀工艺时,若不按药水供应商所推荐的条件进行,常常会产生一些特别问题。如,在碳膜工艺中,一般不推荐在碳膜沉积后进行板面刷洗,因为刷子会去掉孔边缘的碳膜颗粒。这种情况下,电镀过程很难及时从铜表面进入孔中央,甚至,根本不行。若板子一面的孔口碳膜被刷掉,电镀还可以从相对的一面进行。但电镀结果是逐步减弱,电镀铜有可能不能与另一面铜表面连通。结果表现与掩孔工艺中掩膜破裂相似。若在碳膜或石墨工艺中,催化沉积后使用浮石粉喷射,同样会发生空洞。喷射出的浮石粉颗粒可能以很高速度进入孔中,冲走催化层颗粒。另一方面,石墨工艺似乎可以耐受浮石粉刷板处理。

6、在电镀铜,电镀铅锡(成纯锡)有关的空洞

A.产生气泡的内在原因

幸运的是,酸性镀铜槽具有很高的效率(cell efficiency),故在为何较好的槽中氢气产生是很小的问题。需要避免的是很可能导致氢气生成的条件,如:高电流密度和整流器波动导致短时间的大电流密度漂移。有些锡/铅槽或锡槽的效率较铜槽低氢气的产生就成了一重要的问题。在避免氢气分制生成的一个有趣的进展是添加“防坑添加剂”(anpitng addives)。 这些有机合成物,如已内酰胺的衍生物,可能参与氧化还原反应,在形成氢气分子前夺走原子状态的氢,防止气泡产生。经还原的“防坑添加剂”‘ 在阳极又重新氧化,转移到阴极,重新开始这一循环。

B.产生气泡的外在原因

最明显的产生气泡的外在原因是在板子浸入溶液前,填充在孔中的气泡。为了在板子浸入槽液前驱除孔中的空气,一些电镀夹具设计者已试验让板子与夹具之间形成一定角度。浆状搅拌器(paddle agitation)可以产生足够的压差,将气泡赶出孔中。用压缩空气经过喷雾器搅拌液体(r sparging)使之穿过板面也有助于赶走气泡。当然,喷雾搅拌本身也是一种气体,混入槽中,空气进入循 环过滤泵产生一种过饱和液流,在集结位置会形成气泡,在孔壁有缺陷处同样形成气泡。一些者被这个问题所困扰,进而转向于无空气搅拌(溶液喷射)。

除抗蚀剂残渣和气泡等阻碍电镀外,其他造成电镀空洞的几个明显问题有:穿透力及差以及异物堵塞。穿透差的槽液会造成中间无铜,但这是非常极端的情况。通常是孔中央铜厚不足,不能达到允收标准。在酸性镀铜槽中,导致穿透力差有以下几个原因:铜/ 酸比例不当,槽液污染,有机添加剂偏少或不足,电流分布差,遮挡效应或搅拌等。若发现颗粒污染,则多是循环或过滤泵故障,倒槽频率太低,阳极袋破损或阴极膜缺陷造成。

7、由于铜被蚀刻而造成的空洞

若电镀的金属抗蚀剂有任何问题,都会将通孔中的铜暴露于蚀刻剂中,从而导致空洞。在这种情况下,空洞是由于铜被蚀刻掉而非未沉积上铜造成的。这可是有一点违背先后顺序,在这里仍然要强调铜被蚀刻掉,从而造成空洞的原因。

第一个可能造成铜流失的可能条件是,若在化学沉铜时,孔中有残留的湿气,或在下一步操作前放置时间太久,或腐蚀性气氛,铜会被氧化,在酸性镀铜前的预浸步骤中溶解。另一种可能是镀前的微蚀过度。其次,化学沉铜的铜可能脱落。若在化学沉铜后直接做金相或后经热冲击的样片上均可看出。导致这类空洞的原因有:化学沉铜槽组成不恰当,处理溶液夹带,由于去沾污,催化,或加速剂调整不当,化学铜附着力不好。

当在波峰焊,热风整平,或其它高温再流焊步骤或模拟热应力测试时发生孔壁铜的缺损(裂纹,脱落〕,造成这类问题的根源常常需追溯到孔壁预处理和最初的金属化步骤。孔壁空洞可以有许多种成因。按制造工序,可追溯到钻孔等先前步骤,也可以在镀铅/锡时才发生。但空洞的形状,位置常常能为我们提供一些线索查询问题的根源。孔壁空洞也常常是多种工艺条件相互影响产生,它们可能同时作用,也可能具有先后顺序。沿工艺流程步骤仔细分析缺陷表征才有可能一针见血的找到根本所在。

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