PCB板深孔電鍍孔在PTH過程中的無銅缺陷產(chǎn)生原因和改善

1 前言

隨著電子產(chǎn)品與技術的不斷發(fā)展創(chuàng)新，電子產(chǎn)品的設計概念逐漸走向輕薄、短小,印刷電路板(PCB)的設計也在向小孔徑、高密度、多層數(shù)、細線路的方向發(fā)展。而伴隨線路板層數(shù)厚度增加和孔徑的減小，產(chǎn)品通孔厚徑比增加明顯，PTH加工難度逐漸加大，易導致孔內(nèi)無金屬現(xiàn)象頻發(fā)。針對此類問題，本文通過藥水異常、特殊設計及生產(chǎn)操作等方面介紹深孔電鍍在PTH過程中孔內(nèi)無金屬現(xiàn)象產(chǎn)生的具體原因，并根據(jù)不同原因確定預防及改善措施，確保PTH良好，保證后續(xù)深孔電鍍效果。

2 線路板PTH原理

PTH也稱電鍍通孔，主要作用是通過化學方法在絕緣的孔內(nèi)基材上沉積上一層薄銅，為后續(xù)電鍍提供導電層，從而達到內(nèi)外層導通的作用。PTH主要流程如下圖1所示：

圖1 PTH流程圖

其中，涉及化學反應如下所示：

活化：Pd2++2Sn2+→[PdSn]2+——在溶液中反應形成不穩(wěn)定絡合物

[PdSn]2+→Pd+Sn4++Sn2+——大部分絡合物被還原成金屬鈀

SnCl2+H2→Sn(OH)Cl+HCl——活化后水洗時SnCl2水解生成堿式錫酸鹽沉淀

隨著SnCl沉淀，Pd核也一起在活化的基材表面沉積

沉銅：HCHO+OH-→H2+HCHOO-——Pd作為催化劑時，該步反應才能得以進行

Cu+H2+OH-→Cu+2H2O——銅離子在堿性條件下被還原成金屬銅

PTH后孔內(nèi)結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 化學鍍銅沉積示意圖

3 PTH 孔內(nèi)無銅產(chǎn)生原因分析及改善措施

由于深孔電鍍產(chǎn)品縱橫比較高，導致在PTH過程中，孔內(nèi)藥水交換困難，極易出現(xiàn)孔內(nèi)無金屬現(xiàn)象。線路板PTH流程孔內(nèi)無金屬切片形態(tài)明顯，不同原因所造成孔內(nèi)無金屬現(xiàn)象相近，需仔細分析區(qū)分才能辨別出造成該缺陷真正原因，根據(jù)不同切片形態(tài)，可將PTH孔內(nèi)無金屬分為如表3.1中三大類：

3.1 藥水異常類

藥水異常所造成PTH孔內(nèi)無金屬缺陷主要表現(xiàn)為孔內(nèi)星點裝PTH不良，缺陷處圖電銅包裹板電銅，缺陷示意圖如下圖3：

圖3 藥水異常PTH孔內(nèi)無金屬示意圖

3.1.1 產(chǎn)生原因

A. 活化劑中鈀離子含量不足，導致在活化的過程中無法形成足夠的膠體鈀沉積在基材表面，在后續(xù)沉銅過程中，缺少鈀離子催化從而導致孔壁沉銅不良，引起孔內(nèi)無金屬缺陷。

B. 活化缸內(nèi)滲入微小氣泡，引起缸內(nèi)膠體鈀水解，使活化缸喪失活化功能，孔內(nèi)無法沉積銅層。

C. 溶液內(nèi)PH值過低，由于化學沉銅需要在強減性條件下才能進行，PH過低時甲醛還原能力下降，影響沉銅反應速率，造成沉銅不良。

D. 沉銅缸內(nèi)絡合劑不足，導致部分銅離子生成氫氧化銅沉淀，銅缸內(nèi)沒有足夠的銅離子進行反應來沉積到孔壁內(nèi)側(cè)，導致沉銅不良發(fā)生。

3.1.2 改善措施

在PTH生產(chǎn)過程中，對于活化缸及沉銅缸，應保證缸內(nèi)各個組分維持在正常的工藝濃度范圍內(nèi)，以保證化學反應的有序進行。除此之外，缸內(nèi)PH及溫度等也會影響孔壁內(nèi)側(cè)沉銅效果，應持續(xù)對其監(jiān)控。

活化缸內(nèi)膠體鈀受細小氣泡影響，極易產(chǎn)生水解，因此，應保證缸內(nèi)管道無漏氣現(xiàn)象，保證膠體鈀的正常反應。

3.2 特殊設計類

此類原因所造成孔內(nèi)無金屬切片形態(tài)主要表現(xiàn)為缺陷處明顯圖電銅包裹板電銅，同時缺陷處存在內(nèi)層銅被電鍍加厚現(xiàn)象，如下示意圖4：

圖4 特殊設計孔內(nèi)無金屬示意圖

3.2.1 產(chǎn)生原因

對于深孔電鍍產(chǎn)品，縱橫比往往較大，在這種情況下，孔內(nèi)藥水交換速率下降明顯，導致PTH過程中孔中心部沉銅層往往不夠致密。

在這種情況下，若板內(nèi)孔存在如下圖5所示設計，則在PTH后板電過程中，內(nèi)層銅A處因縱橫比過大沉銅層相比于B處不夠致密，導致在板電通電后電勢高于B處，因B處通過內(nèi)層銅與C相導通，故雖然A較C更接近孔口，但電勢仍較高，吸收銅離子能力小于C點。另深孔電鍍在板電過程中，孔內(nèi)溶液交換速度較慢，孔內(nèi)銅離子相對較少。

基于以上兩點，在板電過程中，A處在原本銅離子相對較少的情況下，因電勢原因吸收銅離子能力再次下降，直接導致其電鍍銅層厚度不足，A處在后續(xù)工序（外層圖形及圖形電鍍）前處理因損銅造成孔內(nèi)開路，從而引起孔內(nèi)無金屬缺陷。

圖5 孔內(nèi)沉銅厚度差異示意圖

3.2.2 預防措施

針對此類設計上的問題，在保證設計原稿不變更的情況下，可以適當調(diào)整沉銅及板電參數(shù)，以保證A處銅厚足夠，避免在后續(xù)流程中損銅開路。

主要方法可以將原沉銅時間延長或在完成一次沉銅后，將板從預浸缸再次進板沉銅，保證沉銅層厚度；還可以在一次沉銅后，小電流短時間（8ASF*30min）板電，板電后從除油缸進板再次進行沉銅，然后在板電將孔銅加厚至足夠；此外還可以在沉銅條件不變的情況下，適當降低板電電流密度，延長電鍍時間，保證孔內(nèi)銅離子足夠及鍍層均勻。

3.3 生產(chǎn)操作類

生產(chǎn)操作類造成PTH孔內(nèi)無金屬主要為設備異常及違規(guī)操作，切片特點主要有孔內(nèi)殘存異物、孔內(nèi)缺陷處圖電銅包裹板電銅等，其缺陷示意圖如下圖6：

圖6 生產(chǎn)操作孔內(nèi)無金屬示意圖

3.3.1 產(chǎn)生原因

生產(chǎn)操作所造成孔內(nèi)無金屬主要為PTH前去毛刺和PTH過程中活化及沉銅缸設備異常所造成，主要異常有：PTH前去毛刺段后處理高壓水洗異常，導致孔內(nèi)鉆屑銅粉等異物無法及時排出，造成后續(xù)PTH過程中，孔內(nèi)藥水無法正常交換，從而導致孔內(nèi)沉銅不良；此外，在PTH過程中，活化缸及沉銅缸內(nèi)振動及氣頂異常停止或振動幅度頻率不合格也會造成孔內(nèi)氣泡無法及時排出，影響孔內(nèi)藥水交換，導致沉銅異常，從而引起孔內(nèi)無金屬缺陷。

3.3.2 改善措施

針對高縱橫比產(chǎn)品，在PTH及前處理去毛刺過程中務必保證設備處于正常工作狀態(tài)，此外，對于此類深孔電鍍產(chǎn)品，可是當更改工藝參數(shù)，以保證孔內(nèi)清潔和足夠的藥水交換。

在前處理去毛刺可采用正常去一次毛刺后再額外進行高壓搖擺水洗，對產(chǎn)品孔內(nèi)進行再次清潔；此外可在加工高縱橫比產(chǎn)品時適當提高PTH活化缸及沉銅缸電振幅度，可將原2.5m/s提高至3m/s，從而保證在PTH過程中，孔內(nèi)無氣泡殘存。

4 總結(jié)

針對深孔電鍍產(chǎn)品板厚較厚，孔徑較小，縱橫比高的特點，為保證在PTH過程中消除孔內(nèi)無金屬缺陷，需對設備、工藝參數(shù)以及工藝流程等進行適當調(diào)整，以保證孔內(nèi)PTH質(zhì)量。具體措施如下：

A. PTH前去毛刺后，再多進行一次高壓搖擺水洗，以清除孔內(nèi)鉆屑等異物。

B. PTH過程中保證各缸尤其是活化及沉銅缸藥水、溫度計PH參數(shù)都處在正常工藝范圍內(nèi)。

C. PTH過程中適當提高活化缸及沉銅缸電振幅度，由原2.5m/s提高至3m/s。

D. 一次PTH后將板從預浸缸再次進板，額外沉銅一次；或者在PTH一次后，板電用8ASF電鍍30NIN后再次從除油缸進板沉銅；保證孔內(nèi)銅層均勻性。

E. PTH后板電需采用小電流長時間，以保證孔內(nèi)銅離子足夠保證孔壁電鍍效果。