印制板孔金属化的影响因素及改善

    【集萃网观察】1. 前言

　　孔金属化质量与多层印制板的质量密切相关。近年来，随着PCB 产业的高速发展，盲孔、高厚径比孔的广泛应用，金属化孔的难度也相应变大，在金属化孔过程中常因为孔内镀铜层空洞、瘤状物、孔内镀层薄、粉红圈以及多层板孔壁与内层铜环连接不良等问题，进而导致印制板电路短路、断路、报废，引起严重的经济损失。

　　本文主要围绕钻孔、沉铜工序进行简单分析孔金属化质量的影响因素，通过调整工艺参数，提高孔金属化质量。

　　2. 影响孔金属化质量因素及机理分析

　　2.1 孔口毛刺

　　无论是采用手工钻还是数控钻，也无论是采用何种钻头和钻孔工艺参数，覆铜箔板在其钻孔过程中，孔口产生毛刺总是不可避免的。

　　孔口毛刺会改变孔径尺寸，导致孔径入口处尺寸变小，影响元器件的插入；影响电镀时的电力线分布，导致孔口镀层厚度偏薄和应力集中，从而使孔口镀铜层在受到热冲击时，极易因基板热膨胀所引起的轴向拉伸应力造成断裂；毛刺过大时，还会影响孔金属化时孔内与孔外之间物质交换，而引起孔金属化无法进行。

　　2.2 孔壁粗糙、基材凹坑

　　钻孔质量差造成孔壁粗糙、基材凹坑，孔金属化后可能出现镀层不平整或在热冲击时孔壁基材与镀层分离，严重时会引起镀铜层空洞。

　　浸锡温度288 ℃，浸锡时间10s ，浸锡五次后孔壁状态。在孔壁粗糙处，五次热冲击后孔壁基材与镀层发生分离。

　　在孔壁光滑的表面上，容易获得连续的化学镀铜层，而在粗糙的钻孔孔壁上，由于化学镀铜的连续性较差，容易产生针孔；尤其是当孔壁有钻孔产生的凹坑时，即使化学镀层很完整，但是在随后的电镀铜时，在钻孔凹坑处，容易出现镀层薄，甚至镀不上铜而产生镀层空洞的现象。

　　2.3 环氧树脂钻污

　　印制板在钻孔过程中，基板在钻头切削刃机械力，包括剪切、挤压、扯裂、摩擦力的作用下，产生弹性变形、塑性变形与基材断裂，分离形成孔。此过程中大部分机械能转化为热能，产生瞬时高温，而环氧玻璃基材为不良热导体，在钻孔时热量高度积累，孔壁表面温度远远超过环氧树脂的玻璃态转化温度，造成环氧树脂沿孔壁表面流动，产生一层很薄的环氧树脂油污（EpoxySmear）； 盲孔形成时，在激光高温灼烧下，树脂挥发形成孔，一部分树脂软化，腻在孔底的铜箔上，形成环氧树脂钻污。

　　上述可知，孔加工过程中环氧树脂钻污的产生是不可避免的。在沉铜过程中，一般当钻孔过程产生树脂钻污较小时，经过膨胀、氧化后，钻污变小并去除，此时钻污对多层板互联性没有影响；但如果钻污过大而无法在氧化时去除，一旦在铜箔断面上有一定量的钻污，则会降低甚至破坏多层板的互连性。

　　钻孔产生胶渣太厚，除胶时无法咬蚀干净造成内层断裂，图中画圈部分残余胶渣厚度为0.18mil 。

　　2.4 气泡

　　孔内气泡的进入，分为外部引入和内在产生两种。外部引入的气泡，可能是在板子进入槽中时，振动、摇摆时进入孔中的。内在产生的气泡，可能是由化学沉铜液中，副反应产生氢气引起，反应机理：

　　2HCHO+2Cu2++4OH-→2Cu+2HCOO-+2H2O+H2↑

　　由于沉铜时孔内进入气泡，造成孔壁空洞，引起断路。或由电镀液中，阴极产生氢气或阳极产生氧气所引起的，其反应机理：阴极副反应：2H++2e-→H2↑ 阳极副反应：2H2O-4e-→O2↑+4H+ 由气泡引起的金属化孔镀层空洞，常常位于孔的中央，通过金相切片可见其呈对称分布，即对面孔壁表面有同样宽度范围内无铜。由于电镀时孔内进入气泡，造成孔壁空洞。

　　沉铜时孔内进入气泡，导致沉铜药水无法进入孔内，沉铜失败，造成镀铜空洞，此时孔壁无铜，引起断路；电镀时孔内进入气泡导致电镀药水无法进入孔内，而此时沉铜已经结束，孔壁有一层薄铜，厚度约3～5μm ，由于气泡的存在，电镀药水无法进入孔内，孔内镀铜层无法得到加厚，造成电镀空洞。

　　2.5 瘤状物

　　孔内异物的存在，如固态物（尘、棉）或有机粘污，会阻碍镀液或活化液层积，形成瘤状物，最终导致孔金属化镀层空洞。

    盲孔孔金属化时，孔内进入异物，导致药水无法进入盲孔内，在异物表面进行沉铜、电镀，孔金属化失败，引起断路。

　　2.6 其他影响因素

　　层压材料固化情况：如果层压固化不充分，钻孔时不仅容易产生较大的环氧沾污，而且大量粘滞性很强的切屑会塞满钻孔的排屑槽内，无法排除，导致孔壁粗糙，严重时可能造成钻头折断。粉红圈现象：是指孔壁与内层铜环的交界处，其孔环铜面的氧化膜已经变色，或由于化学反应

　　被除去，露出铜的本色（粉红色）的现象。在印制板生产过程中，内层表面处理、层压、固化、钻孔、凹蚀、化学沉铜、镀铜等工序，都有可能导致粉红圈的产生。粉红圈的产生首先会影响多层板的层间的结合力；其次，由于铜环接触面积变小，通常金属化孔所允许的小的瑕疵，如镀层鼓泡、空洞等，都可能导致孔线电阻增大，甚至断路。

　　影响多层印制板孔金属化缺陷的成因还有很多，从制造工序上看，可追溯到层压工序，也可以在镀铅／锡时才发生。

　　3. 改善措施

　　3.1 钻孔工序

　　钻孔质量差引起的孔口毛刺、孔壁粗糙、基材凹坑及环氧树脂腻污等缺陷，可通过加强以下几方面的工艺、质量控制，得以去除或削弱，从而提高钻孔质量，实现提高孔金属化质量的目标。

　　钻头本身的质量，对钻孔的质量起着极为关键的作用。由形状上区别，钻头一般可分为普通型及锥斜型、铲型和特殊型。后三种较普通型的优点是刃带的长度比较短，一般为0.5mm 左右，明显减少钻孔的发热量，进而减少环氧树脂腻污。

　　钻头寿命与研磨次数是钻孔质量的主要影响因素之一。钻头寿命过高时，在钻孔后期会出现钻孔质量差，严重时会发生钻头折断现象。当孔的质量指标中，有一项下降到接近公差极限时，就需要更换钻头，换下去翻磨或报废。研磨次数过多的钻头常引起孔壁粗糙、环氧树脂腻污等钻孔缺陷。

　　钻头经研磨两次后，钻孔质量下降，孔壁粗糙，引起镀层不平整，受到热冲击时，极易引起孔壁基材与镀层分离。所以一般情况下，多层板允许的最大钻孔数为1500 个孔，而且，多层板一般不使用研磨过的钻头。

　　上盖板、下垫板的使用对钻孔质量起到一定的改善作用。主要影响以下几个方面：

　　（1）防止压力脚对板面的损坏；

　　（2）防止入口、出口面毛刺的产生；

　　（3）改善孔位精度；

　　（4）减少小孔断钻头的机率。

　　3.2 沉铜工序

　　沉铜质量是影响孔金属化最直接、关键因素之一。

　　目前化学沉铜的主要工序流程为溶胀→去钻污→中和还原→条件→微蚀→预浸→活化→加速→ 化学沉铜。

　　3.2.1 孔壁去树脂钻污及凹蚀处理

　　凹蚀，是指为了充分暴露多层板的内层导电表面，而控制性地去除孔壁非金属材料至规定深度的工艺。所谓去钻污，是指去除孔壁上的熔融树脂和钻屑的工艺。

　　多层板加工时，在孔金属化处理之前，为进一步提高金属化孔与内层导体的连接可靠性，最好在去钻污的同时，进行凹蚀处理。经过凹蚀处理的多层板孔，不但去除了孔壁上的环氧树脂钻污层， 而且使内层导线在孔内凸出，确保内层导体与孔壁层得到可靠连接，大幅度提高多层板的可靠性。

　　孔壁去树脂钻污的方法大致有四种，等离子、浓硫酸、铬酸及高锰酸钾去钻污。高锰酸钾去钻污后，孔壁产生微小不平的树脂表面，不像浓硫酸腐蚀树脂产生光滑表面；也不像铬酸易产生树脂过腐蚀而使玻璃纤维凸出于孔壁，且不易产生粉红圈。所以目前广泛采用高锰酸钾氧化进行去树脂钻污。

　　高锰酸钾是一种强氧化剂，在强酸性溶液中，与还原剂作用，被还原为Mn2+；在中性和弱碱性环境中，被还原为MnO2；在OH-浓度大于2mol/L ，被还原为MnO42-。高锰酸钾在强酸性的环境中具有很强的氧化性，但在碱性条件下氧化有机物的反应速度比在酸性条件下更快。

　　在高温碱性条件下，高锰酸钾使环氧树脂碳链氧化裂解，实现去除环氧树脂钻污的目标。其反应机理如下：4MnO4-+C ?环氧树脂+40H-= 4MnO42-+CO2↑+2H2O

　　适当延长高锰酸钾氧化的时间、温度、浓度，对去除较大的树脂钻污可能有一定的改善空间，但对大颗的树脂改善的空间可能不大，但可能会引起咬蚀过大，严重时造成树脂中玻璃纤维外露太多，造成电镀空洞的问题。延长氧化除胶时间后，玻璃纤维突出造成孔壁电镀空洞。延长氧化除胶时间，树脂中玻璃纤维微观形态对比情况。

　　3.2.2 提高搅拌强度、振荡频率

　　提高搅拌强度、振荡频率，有利于提高孔内药水溶液往复流动，对消除孔内气泡、异物有明显改善效果，并加强了孔内外溶液之间的物质交换，提高深镀能力，防止孔内镀铜空洞的产生。

　　金属化厚径比较大的孔（通孔≥12:1 、盲孔≥1:1 ）时，提高搅拌强度、振荡频率对消除孔内气泡、异物效果明显下降。此时，孔内外部溶液之间的物质交换主要依赖微观离子扩散作用进行物质交换，常出现孔内镀层薄、镀铜空洞等缺陷。此时建议在溶胀、氧化、中和药槽中添加超声波振荡， 有利于粉碎孔内气泡、异物，加强孔内微观离子交换速率，提高孔金属化质量。

　　3.2.3 活化

　　活化的作用是在绝缘基体上吸附一层非连续的重金属颗粒，这些重金属具有吸附还原剂的能力， 使经过活化的基体表面具有催化还原金属的能力，从而使化学镀铜反应在整个催化处理过的基体表面上顺利进行。

　　从活化方法上区分，活化可分为两种方式，一种是鳌合离子钯活化法，另一种是一步胶体钯活化法。目前广泛采用的是胶体钯活化法，与鳌合离子钯活化法相比，活化过程中，在铜基体上不会形成钯置换层，从根本上解决了化学镀铜层与基体铜之间的结合力问题，并节约了大量的贵金属钯， 具有较好的经济效益。由于胶体钯活化性能非常好，消除了以往个别金属化孔沉积不上铜的问题。

　　胶体钯活化过程中，Sn2+和Pd2+在溶液中反应形成不稳定的络合物[PdSn]2+，其自身发生歧化反应生成Pd0 和Sn2+，其反应机理为：Pd2++2Sn2+→（PdSn）2++ Sn4+ （PdSn）2+ →Pd0+Sn2+

　　以[Pb0]m 为胶核，活化时在孔内首先吸附Sn2+ ，被吸附的二价锡再吸附Cl-，形成[nSn2+?2（nx）Cl-]2x+吸附层，成为胶体集团。在吸附层外形成2xCl-为扩散层，所以胶团具有负电性，在水溶液中呈布朗运动，而不会聚沉。活化处理之后在水洗时由于SnCl2 水解形成碱式锡酸盐沉淀：

　　SnCl2+H2O→Sn（OH）Cl +HCl

　　在SnCl2 沉淀的同时，连同Pd0 核一起沉积在被活化的基体表面上。

　　影响胶体钯活化性能的因素主要包括Sn2+/Pd2+离子浓度比值、反应时间、溶液温度、PH 值三个方面。

　　Sn2+/Pd2+离子浓度比值是影响活化液活性、稳定性的直接因素，由活化机理可以看出Sn2+/Pd2+ 离子浓度比为2:1 时活化液活性、稳定性最佳；

　　PH 过高，导致活化剂消耗量增加；PH 过低，易引起胶体钯吸附量减少，导致电镀空洞；

　　溶液储存温度过高（高于50℃）时，容易引起溶液分解。

　　其他工序

　　层压工序

　　层压工序对多层印制板的孔金属化质量的影响主要包含以下两个方面：

　　（1） 层压材料的固化应完全：在内层板下料后进行预烘处理，层压后进行后烘固化处理，烤料温度控制在层压材料Tg 值附近，烤料时间2～4 小时，有利于层压材料的完全固化。

　　（2） 粉红圈现象，提高压合前棕化处理能力，可以有效减少粉红圈现象。

　　3.3.2 电镀工序

　　目前，电镀工序中常出现的问题包括高厚径比孔内外物质交换困难及电镀的均匀性、分散性能差。

　　（1） 降低阴极电流密度和延长电镀时间，提高电镀均匀性；

　　（2） 提高搅拌强度、振荡频率，促进电镀液在小孔中的交换，从而提高镀液的分散性能。

　　采用上述措施，对镀层的均匀性和深镀能力起到一定改善作用，避免孔壁镀层薄甚至镀层空洞的产生，提高金属化孔质量。

　　4. 结束语

　　通常，多层印制电路板孔金属化缺陷产生是由不同工序、各种工艺条件相互影响而产生。所以， 在面对孔金属化缺陷时，沿工艺流程分析，找出影响因素，通过金相切片确认最终影响因素，通过改进工艺参数，提高生产管理能力，实现提高孔金属化质量的目的。

来源：greattong