PCB科技 - 如何確保高縱橫比和小孔徑電導率

當通孔的直徑變小時 厚度與直徑之比 比率越來越高, 更難確保孔內有良好的金屬覆蓋. 確保孔中金屬的均勻性並保護孔中的金屬在圖案電鍍和隨後的掩蔽和蝕刻過程中不被蝕刻也是非常具有挑戰性的. 本文列出了通孔銅層空洞的許多原因, 討論如何識別潜在問題, 並對生產過程中避免這些問題提出了一些建議.

中的孔 通孔中的導電層 是由不同的原因造成的，表現出不同的特點, 但有一個共同點, 那就是, 孔中導電層的金屬覆蓋不足或沒有金屬覆蓋. 理論上, 該問題由兩種情况引起：金屬沉積不足, 或在沉積足够數量的金屬後, 有些金屬由於某種原因遺失了. 電鍍參數不當可能導致金屬沉積不足, 如鍍液化學成分, 陰極運動, 現在的, 電流密度分佈, 或電鍍時間, 等. 這也可能是由於孔表面的异物封锁金屬沉積造成的, 例如氣泡, 灰塵, 棉纖維或有機薄膜, 和污垢. 如果孔壁表面處理不當, 不利於鍍液的沉積, 也可能導致金屬沉積不良, 如粗鑽, 裂縫形成, 或“粉紅色圓圈”. 通孔中銅的“腐蝕”可能是由化學因素造成的, 例如蝕刻, 或機制, 比如吹孔, 裂縫, 或沉積層剝落.

本文按照通孔金屬化工藝步驟的順序分析了缺陷和原因，以研究問題可能發生的位置，以及導致孔中孔的步驟。 並借鑒經典問題分析和解决的有用因素，如識別空腔的形狀和位置，並指出糾正問題的方法。

在之前的金屬化步驟中，可能導致孔中出現空隙的因素：

A、鑽孔

鑽頭磨損或其他鑽孔參數不當可能會撕裂銅箔和電介質層並形成裂紋。 玻璃纖維也可能被撕裂而不是切割。 銅箔是否會從樹脂上撕裂不僅取決於鑽孔質量，還取決於銅箔和樹脂的粘合强度。 一個典型的例子是：多層板中氧化層和預浸料之間的粘結力通常弱於電介質基板和銅箔之間的粘結力，囙此大多數撕裂發生在多層板上氧化層的表面。 在鍍金板中，撕裂發生在銅箔較光滑的一側，除非使用“反向處理銅箔”（反向處理銅箔）。 氧化後的表面與預浸料粘結不牢固，也可能導致更嚴重的“粉紅色圈”，即氧化銅層溶解在酸中。 粗糙的孔壁或帶有粉紅色圓圈的粗糙孔壁將導致多層接縫中出現空隙，稱為楔形WOID或氣孔。 “楔形WOID”最初位於接頭介面處。 這個名字還暗示著：這個形狀像一個“楔子”，它收縮形成一個空腔，通常可以被電鍍層覆蓋。 如果銅層覆蓋這些凹槽，銅層後面通常會有水分。 在隨後的過程中，如熱風整平和高溫處理，水分蒸發（水分）和楔形空隙通常一起出現。 根據位置和形狀，很容易識別和區別於其他類型的空腔。

B、去污/蝕刻

去污步驟是用化學方法去除內部銅層上的樹脂油污。 這種油膩最初是由鑽孔引起的。 蝕刻是去污的進一步深化，即將去除更多樹脂，使銅從樹脂中“突出”，並與鍍銅層形成“3點鍵”或“3面鍵”，以提高互連可靠性。 高錳酸鹽用於氧化樹脂並“蝕刻”它。 首先，樹脂需要膨脹以便於高錳酸鹽處理。 中和步驟可以去除錳酸鹽殘留物。 玻璃纖維蝕刻使用不同的化學方法，通常是氫氟酸。 去污不當會導致兩種類型的空洞：粘在孔壁上的粗糙樹脂可能含有液體，這可能導致“氣孔”。 銅內層上殘留的污垢會阻礙銅/鍍銅層的良好結合，導致“孔壁拉脫”（孔壁拉脫）等，如在高溫處理或相關試驗中，鍍銅層與孔壁分離。 樹脂分離可能導致孔壁脫落，並導致鍍銅層上出現裂紋和空隙。 如果在中和步驟中沒有完全去除錳酸鉀鹽的殘留物（準確地說，是在還原反應中），也可能導致空隙。 還原反應通常使用還原劑，如肼或羥胺。

C、化學鍍銅前的催化步驟

去污/蝕刻/化學鍍銅之間的不匹配以及各個步驟的優化不足也是值得考慮的問題。 那些研究過孔空隙的人强烈同意化學處理的統一完整性。 傳統的沉銅預處理順序是清洗、調整、活化（催化）、加速（後活化），然後進入清洗（浸出）洗滌、預浸泡，完全符合Murpiy原理。 例如，調節劑，陽離子聚酯電解質用於中和玻璃纖維上的負電荷，必須正確使用才能獲得所需的正電荷：改性劑太少，活化層和附著力不好； 改性劑過多會形成薄膜，導致銅沉積不好； 以便將孔壁拔出。 調節劑沒有充分覆蓋，很可能出現在玻璃頭上。 在金相學中，孔隙開口表現為玻璃纖維上的銅覆蓋不良，或沒有銅。 其他原因導致玻璃中出現空隙。原因有：玻璃蝕刻不足、樹脂蝕刻過多、玻璃蝕刻過多、催化不足或銅水槽活性差。 影響孔壁上鈀活性層覆蓋率的其他因素有：活化溫度、活化時間、濃度等。如果空穴位於樹脂上，可能有以下原因：去污步驟中的錳酸鹽殘留、血漿殘留、調節或活化不足以及銅沉活性低。

2、與化學鍍銅有關的空心孔

查看孔中的孔時，始終要檢查化學鍍液是否有問題，還要查看化學鍍銅的預處理鍍液，還要涵蓋化學鍍銅、鍍銅和鉛/錫鍍液的常見問題。 一般來說，我們可以理解，氣泡、固體物質（灰塵、棉花）或有機物粘性、幹膜可能會阻礙鍍液或活化液的沉積。 泡沫是受歡迎的，有外部和內部產生的泡沫。 有時，當電路板振動時，外來氣泡可能會進入插槽或通孔。 固有氣泡是由化學銅沉澱溶液中的反應生成的氫，或陰極生成的氫或電鍍溶液中陽極生成的氧引起的。 氣泡產生的空洞有其自身的特點：它們通常位於孔的中心，在金相中呈對稱分佈，即在相同寬度的面壁內沒有銅。 如果孔壁表面有氣泡，則會出現小凹坑，周圍的孔會呈尖峰狀。 灰塵、棉花或油膜造成的空洞形狀極不規則。 一些封锁電鍍或活性沉積的顆粒也會被電鍍金屬包裹。 非有機顆粒可通過EDX進行分析，有機物質可通過FTIR進行檢查。

關於避免氣泡夾帶的研究已經相當深入。 影響因素有很多：陰極運動的擺動幅度、極板間距、振動擺動等。 防止氣泡進入孔內的最有效方法是振動和碰撞。 新增極板間距和陰極移動距離也是非常重要的。 化學鍍銅沉澱罐中的空氣攪拌和活化罐的衝擊或振動幾乎沒有用。 此外，新增化學鍍銅的潤濕性，避免預處理潮中出現氣泡也非常重要。 鍍液的表面能與氫氣泡逃逸或破裂前的大小有關。 顯然，希望氣泡在變大之前從孔中排除，以免阻礙溶液交換。

3、與幹膜有關的空心孔

A、特徵描述

輪輞空隙（輪輞空隙），即空隙位於更靠近板面的位置。 它們通常是由孔中的抗蝕劑引起的。 它們大約50-70微米寬，距離電路板表面50-70微米，邊緣空隙可能位於電路板的一側或兩側，這可能導致完全或部分斷路。 化學鍍銅、鍍銅和鉛錫造成的空洞大多位於孔的中心。 筒體裂紋產生的空洞在物理特性上也不同於幹膜產生的空洞。

B、缺陷機理

孔或孔邊空隙是因為抗蝕劑進入孔中，並且在顯影過程中未移除。 它阻礙了銅、錫和焊料的電鍍。 當薄膜被移除時，抗蝕劑被移除，化學銅被蝕刻掉。 通常，顯影後很難在孔中找到抗蝕劑。 孔洞的位置和缺陷的寬度是判斷孔洞和邊緣孔洞的主要依據。 為什麼阻力流入孔中？ 抗蝕劑覆蓋的孔中的空氣壓力比大氣壓力低20%。 當塗膜時，孔中的空氣是熱的，當空氣冷卻到室溫時，空氣壓力降低。 空氣壓力使抗蝕劑緩慢流入孔中，直到形成。

有3個主要因素導致阻流速度的深度，即：

（1）薄膜的前孔中有水或蒸汽。

（2）高寬高比小孔，以0.5mm孔為例。

（3）拍攝和顯影時間太長。

水蒸氣留在孔中的主要原因是水可以降低抗蝕劑的粘度，使其更快地流入孔中。 具有高厚徑比的小孔更容易出現孔隙問題，因為此類孔更難乾燥。 針孔中的抗蝕劑也更難顯影。 顯影前的時間越長，也允許更多的抗蝕劑流入孔中。 表面處理和自動貼膜連接更容易出現問題。

C、避免孔洞或孔洞周圍的孔洞

避免孔洞或孔洞周圍孔洞的最好且簡單的方法是新增表面處理後的乾燥程度。 如果孔乾燥，孔周圍不會出現孔或空洞。 無論儲存時間有多長，顯影效果不佳，都不會造成邊緣出現孔洞或孔洞。 添加乾燥劑後，儘量保持膠片和顯影劑之間的時間盡可能短，但應考慮穩定性問題。 如果出現以下情况，孔口或孔邊緣為空

可能出現孔洞（之前未出現）：

（1）安裝新的表面處理設備和乾燥設備後。

（2）表面處理設備和乾燥段出現故障。

（3）生產具有高厚徑比的小孔板。

（4）更換抗蝕劑或改為厚幹膜。

（5）使用真空貼膜機。

最壞也是最罕見的情况是，抗蝕劑在孔中形成掩蔽層。 掩模層似乎被推入50-70微米深的孔中。 由於遮罩會封锁溶液進入，囙此它會在孔的一端顯示為一般邊緣空腔，空腔會從孔的另一端開始延伸到大多數孔。， 當鍍層接近孔中心時，鍍層厚度變薄。

許多印製板工廠已轉向直接電鍍工藝，該工藝有時與粘貼機相連。 如果後續乾燥不够，可能會在邊緣出現孔洞。 為了使小孔完全乾燥，乾燥部分需要非常充分。

4、與遮蔽有關的孔洞

在掩模過程中，如果掩模不好，蝕刻劑將進入孔中蝕刻沉積的銅。 掩模的機械損傷是動態發生的，上下掩模一起的孔較少。 同樣，掩模非常脆弱，導致孔中產生負壓，最終導致掩模中出現缺陷。 這層面具可以降低負壓，而對面的面具更容易存活。 一側的掩模破損，蝕刻劑進入孔中，破損掩模一側的銅首先被蝕刻掉。 另一方面，掩模阻擋了蝕刻劑的出口，並且蝕刻劑的交換量太少，囙此空腔圖案也更加對稱，表明一端是銅厚的，另一端是薄的。 根據面罩損壞的程度，情况有所不同。 在極端情况下，所有通孔銅都會被蝕刻掉。

5、直接電鍍

直接電鍍避免了傳統的化學鍍銅，但有3種類型的預處理工藝步驟； 如：鈀基體法、碳膜法、有機導電膜法等。 任何可能影響催化劑沉積的情况，或當沉積聚合物導電膜時，單體沉積和聚合物組合物沉積都可能形成空隙。 大多數碳膜、石墨膜和鈀膜工藝依賴於適當的孔壁調整，使用聚合物電解質陽離子和含有相反電荷的有機催化層。 以實現更好的催化吸附。 自然，化學鍍銅在實踐中已被證明是一個很好的工藝步驟，如孔壁清理、調整、催化沉積等，都被恰當地應用於直接電鍍工藝中。 當然，這裡不會出現化學鍍銅槽中的特殊問題，如制氫。

使用直接電鍍工藝時，如果不按照藥水供應商推薦的條件進行，往往會出現一些特殊問題。 例如，在碳膜工藝中，通常不建議在沉積碳膜後擦洗板表面，因為刷子會去除孔邊緣的碳膜顆粒。 在這種情況下，電鍍過程很難及時從銅表面進入孔中心，甚至根本無法進入。 如果板一側的孔板碳膜被刷掉，也可以從另一側進行電鍍。 然而，電鍍的結果逐漸减弱，電鍍的銅可能無法與另一側的銅表面進行通信。 結果與掩模工藝中的掩模開裂相似。 如果在碳膜或石墨工藝中，在催化沉積後噴塗浮石粉，也會出現空隙。 噴射的浮石粉末顆粒可能會高速進入孔中，並沖走催化劑層顆粒。 另一方面，石墨工藝似乎能够承受浮石灰泥處理。

6、鍍銅、鉛錫相關孔（至純錫）

A、泡沫的內因

幸運的是，酸性鍍銅槽的電池效率非常高，囙此在更好的槽中制氫是一個小問題。 需要避免的是可能導致氫氣生成的條件，例如高電流密度和整流器波動，這些波動會導致短期大電流密度漂移。 一些錫/鉛浴或錫浴的效率低於銅浴。 制氫成為一個重要問題。 在避免產生氫氣分餾方面，一個有趣的發展是添加了“抗污染添加劑”。 這些有機化合物，如己內醯胺衍生物，可能參與氧化還原反應，在形成氫分子之前帶走原子。 氫的狀態封锁了氣泡的產生。 還原的“抗凹坑添加劑”在陽極重新氧化，並轉移到陰極以重新開始迴圈。

B、氣泡的外部原因

氣泡最明顯的外部原因是在 板 浸沒在溶液中. 以便在 板 浸沒在浴缸中, 一些電鍍夾具設計師已經嘗試在 板 和固定裝置. 槳葉攪拌可產生足够的壓差，將氣泡從孔中排出. Using compressed air through a sprayer to agitate the liquid (air sparging) through the surface of the plate also helps to drive away air bubbles. 當然, 噴霧攪拌本身也是一種氣體, 混入罐內, 空氣進入迴圈過濾泵，產生過飽和液體流, 在聚集位置形成氣泡, 並在孔壁缺陷處形成氣泡. Some manufacturers are troubled by this problem and turn to airless agitation (solution spraying).

除了防止阻礙電鍍的殘留物和氣泡外，導致電鍍空洞的其他明顯問題還有：滲透性差和异物堵塞。 鍍液滲透性差將導致中間沒有銅，但這是一種非常極端的情况。 通常，孔中心的銅厚度不足以滿足驗收標準。 在酸性鍍銅槽中，滲透性差的原因如下：銅/酸比不當、槽污染、有機添加劑低或不足、電流分佈不良、堵塞或攪拌等。如果發現顆粒污染，主要是由於迴圈或過濾泵故障，槽反轉頻率太低， 陽極袋損壞或陰極膜損壞。

7、腐蝕銅造成的空洞

如果電鍍金屬抗蝕劑有任何問題，通孔中的銅將暴露在蝕刻劑中，從而產生空隙。 在這種情況下，空洞是由腐蝕掉的銅而不是未沉積的銅造成的。 這有點違背了優先順序。 在這裡，仍然需要強調的是，銅被腐蝕掉了，這導致了空洞。

可能導致銅損失的第一種可能情况是，如果在化學鍍銅過程中孔中有殘留水分，或者如果在下一次操作之前將其放置太久，或者在腐蝕性氣氛中，銅將被氧化。 銅在預浸料步驟之前溶解。 另一種可能性是電鍍前的過度微蝕。 其次，化學鍍銅的銅可能會脫落。 化學鍍銅後，可以看出它是直接金相還是熱震。 產生此類空隙的原因有：化學鍍銅槽的成分不當、處理液夾帶、去污劑、催化劑或促進劑調整不當導致化學鍍銅附著力差。

當波峰焊、熱風整平或其他高溫回流焊步驟或類比熱應力測試時，孔壁上會出現銅缺陷（裂紋、剝落）。 此類問題的根本原因通常需要追溯到孔壁預處理和孔的初始金屬化步驟。 孔壁可能有多種原因。 根據制造技術，可以追溯到之前的步驟，如鑽孔，或者只能在鉛/錫電鍍過程中發生。 然而，空腔的形狀和位置通常可以為我們提供一些線索，以査詢問題的根源。 孔壁空洞往往是多種工藝條件相互影響的結果。 它們可能同時行動，也可能有一個序列。 只有沿著工藝步驟仔細分析缺陷特徵，才有可能快速找到根源。