PCB科技 - 如何確保高縱橫比和小孔徑導電性

當通孔的直徑變小並且厚度直徑比越來越高時，確保孔中良好的金屬覆蓋變得更加困難。 確保孔中金屬的均勻性並保護孔中的金屬在圖案鍍和隨後的掩模和蝕刻過程中不被蝕刻掉也是非常具有挑戰性的。 本文列舉了通孔銅層空洞的多種原因，討論了如何識別潜在問題，並對生產過程提出了避免這些問題的建議。

通孔中的導電層中的孔是由不同的原因引起的，並表現出不同的特性，但有一點是共同的，即孔中導電層的金屬覆蓋不足或沒有金屬覆蓋。 理論上，這個問題是由兩種情况引起的：沉積的金屬不足，或者在沉積了足够量的金屬後，由於某種原因，一些金屬會遺失。 金屬沉積不足可能是由於鍍液化學成分、陰極移動、電流、電流密度分佈或鍍覆時間等不適當的鍍覆參數造成的。這也可能是由於孔表面上阻礙金屬沉積的异物造成的，如氣泡、灰塵、棉纖維或有機膜以及污垢。 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，如鑽孔粗糙、裂紋形成或“粉紅圈”。 銅從通孔中“吃掉”可能是由於化學因素，如蝕刻，或機制，如吹孔、裂紋或沉積層的剝落。

本文按通孔金屬化工藝的工藝步驟順序分析了缺陷和原因，以研究問題可能發生在哪裡，以及導致孔中出現孔的步驟。 並借鑒經典問題分析和求解的有用因素，如識別腔體的形狀和位置，並指出糾正問題的方法。

1.在前面的金屬化步驟中可能導致孔中出現空隙的因素：

A.鑽探

磨損的鑽頭或其他不適當的鑽孔參數可能會撕裂銅箔和介電層並形成裂紋。 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的質量，還取決於銅箔和樹脂的結合强度。 一個典型的例子是：多層板中氧化層和預浸料之間的結合通常弱於介電基板和銅箔之間的結合，囙此大部分撕裂發生在多層板上氧化層的表面。 在金版中，撕裂發生在銅箔的較光滑一側，除非使用“反向處理銅箔”（反向處理箔）。 氧化表面與預浸料沒有牢固結合，也可能導致更糟糕的“粉紅圈”，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會導致多層接縫中的空隙，稱為楔形孔洞或氣孔。 “楔形窩”最初位於關節介面。 這個名字也意味著：形狀就像一個“楔形”，它縮回形成一個腔體，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。 在後續工藝中，如熱空氣整平和高溫處理，水分蒸發（濕氣）和楔形空隙通常會同時出現。 根據位置和形狀，很容易識別和區分其他類型的空腔。

B.去污/蝕刻

去污步驟是化學去除內銅層上的樹脂油污。 這種油膩感最初是由鑽井引起的。 蝕刻是去污的進一步深化，即將去除更多的樹脂，使銅從樹脂中“突出”出來，並與鍍銅層形成“三點結合”或“三面結合”，以提高互連可靠性。 高錳酸鹽用於氧化樹脂並“蝕刻”它。首先，樹脂需要膨脹以促進高錳酸鹽處理。 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。 不適當的去污會導致兩種類型的空腔：粘附在孔壁上的粗糙樹脂可能含有液體，這可能會導致“吹孔”。 銅內層殘留的污垢會阻礙銅/鍍銅層的良好結合，導致“孔壁脫落”（孔壁脫落）等，如在高溫加工或相關測試中，鍍銅層與孔壁分離。 樹脂分離可能導致孔壁脫落，並在鍍銅層上產生裂紋和空隙。 如果錳酸鉀鹽的殘留物在中和步驟中沒有完全去除（確切地說，當它在還原反應中時為5），它也可能導致空隙。 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。 那些研究過孔中空隙的人强烈同意化學處理的均勻完整性。 沉銅的傳統預處理順序是清洗、調整、活化（催化）、加速（活化後），然後進入清洗（浸出）洗滌、預浸，這完全符合Murpiy原理。 例如，調理劑、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； 過多的改性劑會形成薄膜，導致銅沉積不良； 囙此，孔壁被拉下。調節劑沒有被充分覆蓋，最有可能出現在玻璃頭上。 在金相學中，空隙開口表現為玻璃纖維上的銅覆蓋率差，或者沒有銅。 其他原因導致玻璃中出現空隙。原因是：玻璃蝕刻不足、樹脂蝕刻過度、玻璃蝕刻過度、催化不足或銅槽活性差。 影響孔壁上Pd活性層覆蓋率的其他因素包括：活化溫度、活化時間、濃度等。 如果空腔在樹脂上，可能有以下原因：淨化步驟中的錳酸鹽殘留、电浆殘留、調節或啟動不足以及銅槽活性低。

2.與化學鍍銅有關的空心孔

在查看孔中的孔時，一定要檢查化學鍍液是否有問題，還要查看化學鍍銅的預處理槽，還要涵蓋化學鍍銅、電鍍銅和鉛/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，當電路板振盪時，外來氣泡可能會進入槽或通孔。 固有氣泡是由化學銅沉澱溶液中的反應產生的氫氣，或電鍍溶液中陰極產生的氫氣或陽極產生的氧氣引起的。 氣泡產生的孔隙有其自身的特點：它們通常位於孔的中心，在金相學中對稱分佈，即在相同寬度的面壁內沒有銅。 如果孔壁表面有氣泡，則會出現小坑，周圍的孔會呈尖刺狀。 灰塵、棉花或油膜造成的空腔形狀極不規則。 一些封锁電鍍或活化沉積的顆粒也會被鍍金屬包裹。 非有機顆粒可以通過EDX進行分析，有機物質可以通過FTIR進行檢測。

關於避免氣泡滯留的研究已經相當深入。 影響氣泡進入孔的因素有很多：陰極運動的擺動幅度、極板之間的間距、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。 新增極板之間的間距和陰極的移動距離也很重要。 化學鍍銅沉澱槽中的空氣攪拌和活化槽的衝擊或振動幾乎是無用的。 此外，提高化學鍍銅的潤濕性，避免預處理過程中產生氣泡也很重要。 鍍液的表面能與氫氣氣泡在逃逸或破裂前的大小有關。 顯然，希望氣泡在變大之前被排除在孔外，以免阻礙溶液交換。

3.與幹膜相關的空心孔

A.特性描述

邊緣空隙（邊緣空隙），即空隙位於更靠近板表面的位置。 它們通常是由孔中的阻力引起的。 它們的寬度約為50-70微米，距離電路板表面50-70毫米，邊緣有空隙。它可能位於電路板的一側或兩側，這可能會導致完全或部分斷路。 由化學銅、電鍍銅和鉛/錫鍍層引起的空隙大多位於孔的中心。 由桶形裂紋引起的空隙在物理特性上也與幹膜引起的空隙不同。

B.缺陷機制

孔或孔邊緣空隙是因為抗蝕劑進入孔中，在顯影過程中沒有被去除。 它會阻礙銅、錫和焊料鍍層。 當去除薄膜時，抗蝕劑被去除，化學銅被蝕刻掉。 一般來說，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。 為什麼阻力會流入孔中？ 被抗蝕劑覆蓋的孔中的氣壓比大氣壓低20%。 當施加薄膜時，孔中的空氣是熱的，當空氣冷卻到室溫時，氣壓降低。 氣壓使抗蝕劑緩慢流入孔中，直到其形成。

有三個主要因素導致阻力流速的深度，即：

（1）薄膜的前孔中有水或蒸汽。

（2）高縱橫比的小孔，以0.5mm孔為例。

（3）拍攝和開發時間太長了。

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。 具有高厚度直徑比的小孔更容易出現空隙問題，因為這些孔更難乾燥。 針孔中的抗蝕劑也更難形成。 顯影前的時間越長，也會使更多的抗蝕劑流入孔中。 表面處理和自動膜連接更容易出現問題。

C.避開孔洞或孔洞周圍的孔洞

避免孔洞或孔洞周圍孔洞的最佳簡單方法是在表面處理後新增乾燥程度。 如果孔是乾燥的，則孔周圍不會出現孔或空腔。 無論存放時間有多長，顯影不良，都不會造成邊孔或孔洞。 添加乾燥後，儘量保持薄膜和顯影劑之間的時間盡可能短，但應考慮穩定性問題。 如果發生以下情况，則孔口或孔邊緣為空

可能會出現孔洞（以前沒有）：

（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部分出現故障。

（3）生產具有高厚度直徑比的小孔板。

（4）更換抗蝕劑或更換為厚幹膜。

（5）真空貼膜機的使用。

最壞和最罕見的情况是抗蝕劑在孔中形成掩模層。 看起來掩模層被推入50-70微米深的孔中。 由於掩模將防止溶液進入，囙此它將在孔的一端表現為一般的邊緣腔，並且該腔將從孔的另一端開始延伸到大多數孔。， 鍍層的厚度隨著接近孔的中心而變薄。

許多印刷電路板工廠已經轉向直接電鍍工藝，有時與粘貼機相連。 如果後續的乾燥不充分，邊緣可能會出現孔洞。 為了使小孔完全乾燥，乾燥部分需要非常充分。

4.與遮蔽相關的孔洞

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，上掩模和下掩模一起的孔較少。 同樣，掩模非常弱，導致孔中出現負壓，最終導致掩模出現缺陷。 這一層口罩可以降低負壓，相反的口罩更容易存活。 一側的掩模破裂，蝕刻劑進入孔中，首先蝕刻掉破裂掩模一側的銅。 另一方面，掩模阻擋了蝕刻劑的出口，蝕刻劑的交換太少，囙此腔體圖案也更加對稱，表明一端銅厚，另一端薄。 根據口罩損壞的程度，情况會有所不同。 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，但有三種預處理工藝步驟； 如：鈀基工藝、碳膜工藝、有機導電膜工藝。 任何可能影響催化劑沉積的情况，或者當沉積聚合物導電膜時，單體沉積和聚合物組合物沉積都會形成空隙。 大多數碳膜、石墨和鈀膜工藝依賴於適當的孔壁調節，使用聚合物電解質陽離子和含有相反電荷的有機催化層。 為了實現更好的催化吸附。 當然，化學銅沉積在實踐中已被證明是一個很好的工藝步驟，如孔壁清潔、調整、催化沉積等，在直接電鍍工藝中得到了適當的應用。 當然，這裡不會出現化學鍍銅浴中的特殊問題，如氫氣產生。

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，經常會出現一些特殊問題。 例如，在碳膜工藝中，一般不建議在碳膜沉積後擦洗板表面，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的中心，甚至根本無法進入。 如果板一側的孔碳膜被刷掉，也可以從另一側進行電鍍。 然而，電鍍的效果逐漸减弱，電鍍的銅可能無法與另一側的銅表面連通。 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，浮石粉在催化沉積後被噴塗，也會出現空隙。 噴射的浮石粉末顆粒可以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.與電鍍銅和電鍍鉛錫（至純錫）相關的孔

A.氣泡的內在原因

幸運的是，酸性鍍銅浴具有非常高的電池效率，囙此在更好的鍍液中產生氫氣是一個小問題。 需要避免的是可能導致氫氣產生的條件，例如高電流密度和整流器波動導致短期大電流密度漂移。 一些錫/鉛浴或錫浴的效率不如銅浴。 氫氣生成成為一個重要問題。 避免氫氣分餾的一個有趣的發展是添加“抗沉澱添加劑”。 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。 氫的狀態可以防止氣泡的產生。 還原的“抗凹坑添加劑”在陽極被重新氧化，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將板浸入溶液之前，氣泡填充在孔中。 為了在將電路板浸入鍍液之前排出孔中的空氣，一些電鍍夾具設計師嘗試在電路板和夾具之間形成一定的角度。 槳式攪拌可以產生足够的壓差，將氣泡趕出孔。 通過噴霧器使用壓縮空氣攪拌液體（空氣噴射）通過板表面也有助於驅除氣泡。 當然，噴霧攪拌本身也是一種氣體，混入罐中，空氣進入迴圈過濾泵產生過飽和液體流，在聚集位置會形成氣泡，在孔壁缺陷處也會形成氣泡。 一些製造商受到這個問題的困擾，轉而採用無氣攪拌（溶液噴塗）。

除了抵抗阻礙電鍍的殘留物和氣泡外，導致電鍍空隙的其他明顯問題還有：滲透性差和异物堵塞。 鍍液滲透性差會導致中間沒有銅，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。 在酸性鍍銅浴中，滲透性差是由以下原因引起的：銅/酸比不當、鍍液污染、有機添加劑低或不足、電流分佈差、堵塞效果或攪拌等。 如果發現顆粒污染，主要是由於迴圈或過濾泵故障、罐反轉頻率過低、陽極袋損壞或陰極膜有缺陷造成的。

7.銅被蝕刻造成的空隙

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，導致空隙。 在這種情況下，空隙是由銅被蝕刻掉而不是未沉積的銅引起的。 這有點違背優先順序。 在這裡，仍然需要強調的是，銅被蝕刻掉了，這會導致空隙。

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的水分，或者在下一次操作之前放置太久，或者在腐蝕性氣氛中，銅會被氧化。 銅在預浸料步驟中溶解。 另一種可能是電鍍前過度的微蝕刻。 其次，化學鍍銅的銅可能會脫落。可以看出化學鍍銅後是直接金相還是熱衝擊。 產生這種空隙的原因是：化學鍍銅浴的成分不當、處理溶液的夾帶、由於去污、催化或加速劑調節不當導致的化學鍍銅附著力差。

當進行波峰焊、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）。 這些問題的根源往往需要追溯到孔壁預處理和孔的初始金屬化步驟。 孔壁可能有很多原因。 根據制造技術，它可以追溯到之前的步驟，如鑽孔，或者它只能在鉛/錫鍍過程中發生。 然而，空腔的形狀和位置往往可以為我們提供一些線索，以探究問題的根源。 孔壁空隙通常是由多種工藝條件的相互影響引起的。 它們可能同時行動，也可能有一個序列。 只有仔細分析工藝步驟中的缺陷特徵，才能準確地找到根源。