PCB板金屬化時導致通孔銅層空洞的各種原因分析

當導通孔直徑越來越小，厚徑比越來越高時，要保證孔中的金屬覆蓋良好變得更加困難。而保證孔中金屬的均勻一致性，保護孔中金屬在圖形電鍍及以后的掩膜及蝕刻過程中不被蝕刻掉，也變得極具挑戰(zhàn)性。本文列出了導致通孔銅層空洞的許多原因，并對如何識別根本問題加以討論，對生產工藝提出一些建議以避免這些問題。

通孔中導電層空洞因不同原因引起，表現出不同特征，但有一點是共同的，即孔中導電層的金屬覆蓋不充分或沒有金屬覆蓋。從理論上講，該問題由兩種情況引起：沉積的金屬不足，或在充分足量的金屬沉積后，又因某種原因，失掉部分金屬。不充分的金屬沉積可能是由于電鍍參數不當引起，如槽液的化學組成，陰極移動，電流，電流密度分布，或電鍍時間等等。這也可能是因為孔壁表面有異物妨礙金屬沉積造成，如氣泡，灰塵，棉質纖維或有機膜，粘污等。若孔壁表面未經適當處理，不利于鍍液沉積，也有可能導致金屬沉積不好，例如：鉆孔粗糙，形成裂紋，或有“粉紅圈”。從通孔中將銅“吃掉”有可能是化學因素，如蝕刻造成，也可能是機構原因，如脹孔（blow-holing），裂紋或沉積層脫落。

本文按照導通孔金屬化工藝步驟順序研究在何處可能出現問題，并導致孔中空洞的步驟來分析這些缺陷和原因。并借鑒經典的問題分析解決的有用因素，如識別空洞形狀，位置等，并指出更正問題的方法。

1、金屬化以前步驟可能導致孔中空洞的因素：

A. 鉆孔

磨損的鉆頭或其它不恰當鉆孔參數都可能撕裂銅箔與介電層，形成裂縫。玻璃纖維也可能是被撕裂而非切斷。銅箔是否會從樹脂上撕裂，不僅僅取決于鉆孔的質量，也取決于銅箔與樹脂的粘結強度。典型的例子是：多層板中氧化層與半固化片的結合往往較介電基材與銅箔的結合力更弱，故多數撕裂都發(fā)生在多層板氧化層表面。在金板中，撕裂都發(fā)生在銅箔較為光滑的一面，除非采用”反轉處理的銅箔“（revers treated foil）。氧化面與半固化片不牢固結合，還可能導致更糟的“粉紅圈”，即銅的氧化層在酸中溶解。鉆孔孔壁粗糙或孔壁粗糙且有粉紅圈都會導致多層結合處的空洞，稱之為楔形空洞（wedge woids）或吹氣孔（blow holes），“楔形空洞”最初處于結合交界面，它的名稱也暗示：形狀如“楔”，回縮形成空洞，通?？梢员浑婂儗痈采w。若銅層覆蓋這些溝，銅層后面常常會有水分，在以后的工序中，如熱風整平等高溫處理，水分（濕氣）蒸發(fā)和楔形空洞通常一起出現。根據出現的位置與形狀，很容易確認并與其它類型的空洞區(qū)分開。

B.去沾污/凹蝕

去沾污步驟是用化學方法去掉內層銅上的樹脂膩污。這種膩污最初是由鉆孔造成的。凹蝕是去沾污的進一步深化，即將去掉更多的樹脂，使銅從樹脂中“突出”，與鍍銅層形成“三點結合”或“三面結合”，提高互聯可靠性。高錳酸鹽用于氧化樹脂，并“蝕刻”之。首先需要將樹脂溶脹，以便于高錳酸鹽處理，中和步驟可以去掉錳酸鹽殘渣，玻璃纖維蝕刻采用不同的化學方法，通常是氫氟酸。若去沾污不當，可造成兩種類型的空洞：在孔壁粗糙的樹脂粘污可能藏有液體，可導致“吹氣孔”。在內層銅上殘留的粘污會防礙銅/鍍銅層的良好結合，導致“孔壁拉脫”（hole wall pullaway）等，如在高溫處理中，或相關的測試中，鍍銅層與孔壁分離。樹脂分離可能導致孔壁拉脫和裂紋以及鍍銅層上的空洞。若在中和步驟中（準確講5，當是還原反應中）錳酸鉀鹽殘渣未完全去掉，也可能導致空洞，還原反應常常用到還原劑，如肼或羥胺等。

C.化學沉銅前的催化步驟

去沾污/凹蝕/化學沉銅之間的不匹配和各獨立步驟不夠優(yōu)化，也是值得考慮的問題。那些研究過孔中空洞的人員都極力贊同化學處理的統(tǒng)一的整體性。傳統(tǒng)的沉銅前處理順序為清潔，調整，活化（催化〕，加速（后活化〕，并進入清（淋）洗，預浸，完全適于Murpiy原理。例如，調整劑，一種陽離子聚酯電解質用于中和玻璃纖維上的負電荷，往往須正確應用才能得到所需的正電荷：調整劑太少，活化層及附著不好；調整劑太多，會形成一層膜導致沉銅附著不好；以致孔壁拉脫。調整劑覆蓋不充分，最容易在玻璃頭上出現。在金相中，空洞開口表現在玻璃纖維處銅覆蓋不好，或沒有銅。其它引起在玻璃處出現空洞的原因有：玻璃蝕刻不充分，樹脂蝕刻過分，玻璃蝕刻過分，催化不充分，或沉銅槽活性不好。其他影響Pd活化層在孔壁上覆蓋的因素有：活化溫度，活化時間，濃度等。若空洞在樹脂上，可能有以下原因：去沾污步驟的錳酸鹽殘渣，等離子體殘留物，調整或活化不充分，沉銅槽活性不高。

2、與化學沉銅有關的孔中空洞

在查看孔中空洞時，總看化學槽液是否有問題，同樣再看看，化學沉銅前處理槽液，還要覆蓋到化學銅，電鍍銅，鉛/錫槽共同問題?？偟膩碇v，我們可以了解氣泡，固態(tài)物（塵，棉）或有機物粘污，干膜可能阻礙鍍液或活化液沉積。氣泡褒入，有外來的和內在產生的氣泡。外來氣泡有時可能是板子進入槽中，或振蕩搖擺時進入通孔中。而固有氣泡是由化學沉銅液中附反應產生氫氣引起，或電鍍液中陰極產生氫氣或陽極產生氧氣。氣泡引起的空洞有其特征：常常位于孔中央，而且在金相中對稱分布，即對面孔壁有同樣寬度范圍內無銅。在孔壁表面鍍上若有氣泡，表現為小坑，空洞周圍呈穗狀。由塵埃，棉質品或油狀膜引起的空洞，形狀極不規(guī)則。有些防礙電鍍或活化沉積的微粒還會被鍍層金屬包裹。非有機微粒可用EDX分析出，有機物可用FTIR檢查。

有關避免氣泡裹入的研究已有相當的深度。其中有許多影響因素：陰極移動搖擺幅度，板間間隔，振動擺動等。最有效的避免氣泡進入孔中的方法為振動和碰撞。增加板面間隔，增加陰極移動距離也十分重要，化學沉銅槽中空氣攪拌和活化槽撞擊或振動幾乎沒有用。另外，增加化學沉銅濕潤性，前處理潮位避免氣泡也十分重要。鍍液的表面能量于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于孔外，以免阻礙溶液交換。

3、干膜有關的孔中空洞

A.特征描述

孔口或孔邊空洞（Rim voids），即空洞位于離板面較近的位置，它常常由位于孔中的抗蝕劑引起，大約50－70微米寬離板面50－70 微米，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。而由化學銅，電鍍銅，鍍鉛/錫引起的空洞多位于孔中央。桶形裂紋（Barrel cracks）造成的空洞，也與干膜造成的空洞物理特征不同。

B.缺陷機理

孔口或孔邊空洞是由于抗蝕劑進入孔內，顯影時未去掉，它阻礙銅，錫，焊料電鍍，抗蝕劑在去膜時去掉，化學銅被蝕刻掉。一般顯影后很難發(fā)現孔內的抗蝕劑，空洞所在的位置和缺陷寬度是判斷孔口和孔邊空洞的主要依據?？刮g劑為何流入孔中？被抗蝕劑覆蓋的孔中氣壓比大氣壓低20％，貼膜時孔中空氣熱，空氣冷到室溫時氣壓降低。氣壓導致抗蝕劑慢慢流入孔中，直至顯影。

主要有三種因素導致抗蝕劑流動的速度深度，即：

（1〕貼膜前孔里有水或水汽。

（2）高厚徑比小孔，以0.5mm孔為例。

（3）貼膜與顯影時間太長。

水汽停在孔中的主要原因，水分可以降低抗蝕劑粘度，使其較快流入孔中。高厚徑比小孔較易發(fā)生空洞問題，這是由于這種孔較難干燥。小孔中的抗蝕也較難顯影。顯影前時間較長也使更多的抗蝕劑流入孔中。表面處理與自動貼膜連線，更易發(fā)生問題。

C.避免孔口或孔邊空洞

避免孔口或孔邊空洞最佳及簡單的辦法是在表面處理后增加烘干的程度?？兹舾稍?，不會發(fā)生孔口或孔邊空洞。再長的放置時間和顯影不佳也不會造成孔口或孔邊空洞。增加烘干后，盡可能使貼膜與顯影間的放置時間短，但要考慮穩(wěn)定問題，若發(fā)生以下情況，孔口或孔邊空洞可能會發(fā)生（以前沒有）：

（1）新的表面處理設備及干燥設備安裝后。

（2）表面處理設備及干燥段功能失常。

（3）生產高厚徑比小孔板。

（4）抗蝕劑變化或換厚的干膜。

（5）真空貼膜機使用。

最壞的也是少有的情形是，抗蝕劑在孔中形成掩蓋層。表現為掩膜層被推入孔中50－70微米深，由于掩膜會阻礙溶液進入，在孔的一端表現為一般的邊緣空洞，空洞會延伸到大部分孔中，從孔的另一端起，鍍層厚度越接近孔中央越薄。

許多印制板廠已轉為直接電鍍工藝，它有時與貼膜機連線，若后段烘干不充分，可能會發(fā)生孔口和孔邊空洞。要使小孔充分干燥，烘干段需十分充分。

4、與掩孔有關的空洞

掩孔工藝中，如果掩膜不好會造成蝕刻劑進入孔中，蝕刻去沉積的銅。掩膜的機構損傷是動態(tài)發(fā)生的，而上下掩膜一起出現空洞的情況較少。同樣，掩膜很薄弱，造成孔內負壓，最終導致掩孔缺陷，這層掩膜又可以降低負壓，對面的掩膜較易生存。一面的掩膜破壞，蝕刻劑進入孔中，靠破的掩膜一邊的銅首先被蝕刻掉。另一面，掩膜堵住了蝕刻劑的出口，蝕刻液交流太少，故空洞圖形也是較對稱的，表現為一端銅厚，另一端薄。根據掩膜損傷的程度，情況也不一樣，極端情況下，所有的通孔銅都被蝕刻掉。

5、直接電鍍

直接電鍍，避免了傳統(tǒng)的化學沉銅，但有三類預處理工藝步驟；如：鈀基體工藝，碳膜工藝，有機導電膜工藝。任何能影響催化物沉積的情形，或者是沉高分子導電膜時，單體沉積和聚合物組成物沉積能形成空洞。大多數碳膜，石墨和鈀膜工藝都依賴于適當的孔壁調整，用高分子電解質陽離子與含有相反電荷的有機催化層。以達到較好的催化吸附性。自然，在化學沉銅中已經實踐證實是很好的工藝處理步驟，如孔壁清潔，調整，催化沉積等都恰當地應用在直接電鍍工藝中。當然，化學沉銅槽中特別的問題，如氫氣產生等，不會在此發(fā)生。

在采用直接電鍍工藝時，若不按藥水供應商所推薦的條件進行，常常會產生一些特別問題。如，在碳膜工藝中，一般不推薦在碳膜沉積后進行板面刷洗，因為刷子會去掉孔邊緣的碳膜顆粒。這種情況下，電鍍過程很難及時從銅表面進入孔中央，甚至，根本不行。若板子一面的孔口碳膜被刷掉，電鍍還可以從相對的一面進行。但電鍍結果是逐步減弱，電鍍銅有可能不能與另一面銅表面連通。結果表現與掩孔工藝中掩膜破裂相似。若在碳膜或石墨工藝中，催化沉積后使用浮石粉噴射，同樣會發(fā)生空洞。噴射出的浮石粉顆粒可能以很高速度進入孔中，沖走催化層顆粒。另一方面，石墨工藝似乎可以耐受浮石粉刷板處理。

6、在電鍍銅，電鍍鉛錫（成純錫）有關的空洞

A.產生氣泡的內在原因

幸運的是，酸性鍍銅槽具有很高的電池效率（cell efficiency），故在為何較好的槽中氫氣產生是很小的問題。需要避免的是很可能導致氫氣生成的條件，如：高電流密度和整流器波動導致短時間的大電流密度漂移。有些錫/鉛槽或錫槽的效率較銅槽低氫氣的產生就成了一重要的問題。在避免氫氣分制生成的一個有趣的進展是添加“防坑添加劑”（antipititting additives）。 這些有機合成物，如已內酰胺的衍生物，可能參與氧化還原反應，在形成氫氣分子前奪走原子狀態(tài)的氫，防止氣泡產生。經還原的“防坑添加劑”‘ 在陽極又重新氧化，轉移到陰極，重新開始這一循環(huán)。

B.產生氣泡的外在原因

最明顯的產生氣泡的外在原因是在板子浸入溶液前，填充在孔中的氣泡。為了在板子浸入槽液前驅除孔中的空氣，一些電鍍夾具設計者已試驗讓板子與夾具之間形成一定角度。漿狀攪拌器（paddle agitation）可以產生足夠的壓差，將氣泡趕出孔中。用壓縮空氣經過噴霧器攪拌液體（air sparging）使之穿過板面也有助于趕走氣泡。當然，噴霧攪拌本身也是一種氣體，混入槽中，空氣進入循 環(huán)過濾泵產生一種過飽和液流，在集結位置會形成氣泡，在孔壁有缺陷處同樣形成氣泡。一些制造者被這個問題所困擾，進而轉向于無空氣攪拌（溶液噴射）。

除抗蝕劑殘渣和氣泡等阻礙電鍍外，其他造成電鍍空洞的幾個明顯問題有：穿透力及差以及異物堵塞。穿透差的槽液會造成中間無銅，但這是非常極端的情況。通常是孔中央銅厚不足，不能達到允收標準。在酸性鍍銅槽中，導致穿透力差有以下幾個原因：銅/ 酸比例不當，槽液污染，有機添加劑偏少或不足，電流分布差，遮擋效應或攪拌等。若發(fā)現顆粒污染，則多是循環(huán)或過濾泵故障，倒槽頻率太低，陽極袋破損或陰極膜缺陷造成。

7、由于銅被蝕刻而造成的空洞

若電鍍的金屬抗蝕劑有任何問題，都會將通孔中的銅暴露于蝕刻劑中，從而導致空洞。在這種情況下，空洞是由于銅被蝕刻掉而非未沉積上銅造成的。這可是有一點違背先后順序，在這里仍然要強調銅被蝕刻掉，從而造成空洞的原因。

第一個可能造成銅流失的可能條件是，若在化學沉銅時，孔中有殘留的濕氣，或在下一步操作前放置時間太久，或腐蝕性氣氛，銅會被氧化，在酸性鍍銅前的預浸步驟中溶解。另一種可能是鍍前的微蝕過度。其次，化學沉銅的銅可能脫落。若在化學沉銅后直接做金相或后經熱沖擊的樣片上均可看出。導致這類空洞的原因有：化學沉銅槽組成不恰當，處理溶液夾帶，由于去沾污，催化，或加速劑調整不當，化學銅附著力不好。

當在波峰焊，熱風整平，或其它高溫再流焊步驟或模擬熱應力測試時發(fā)生孔壁銅的缺損（裂紋，脫落〕，造成這類問題的根源常常需追溯到孔壁預處理和最初的金屬化步驟。孔壁空洞可以有許多種成因。按制造工序，可追溯到鉆孔等先前步驟，也可以在鍍鉛/錫時才發(fā)生。但空洞的形狀，位置常常能為我們提供一些線索查詢問題的根源。孔壁空洞也常常是多種工藝條件相互影響產生，它們可能同時作用，也可能具有先后順序。沿工藝流程步驟仔細分析缺陷表征才有可能一針見血的找到根本所在。