PCB板金屬化時(shí)導(dǎo)致通孔銅層空洞的各種原因分析

當(dāng)導(dǎo)通孔直徑越來(lái)越小，厚徑比越來(lái)越高時(shí)，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(hù)孔中金屬在圖形電鍍及以后的掩膜及蝕刻過(guò)程中不被蝕刻掉，也變得極具挑戰(zhàn)性。本文列出了導(dǎo)致通孔銅層空洞的許多原因，并對(duì)如何識(shí)別根本問(wèn)題加以討論，對(duì)生產(chǎn)工藝提出一些建議以避免這些問(wèn)題。

通孔中導(dǎo)電層空洞因不同原因引起，表現(xiàn)出不同特征，但有一點(diǎn)是共同的，即孔中導(dǎo)電層的金屬覆蓋不充分或沒(méi)有金屬覆蓋。從理論上講，該問(wèn)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(shù)不當(dāng)引起，如槽液的化學(xué)組成，陰極移動(dòng)，電流，電流密度分布，或電鍍時(shí)間等等。這也可能是因?yàn)榭妆诒砻嬗挟愇锓恋K金屬沉積造成，如氣泡，灰塵，棉質(zhì)纖維或有機(jī)膜，粘污等。若孔壁表面未經(jīng)適當(dāng)處理，不利于鍍液沉積，也有可能導(dǎo)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(xué)因素，如蝕刻造成，也可能是機(jī)構(gòu)原因，如脹孔（blow-holing），裂紋或沉積層脫落。

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

1、金屬化以前步驟可能導(dǎo)致孔中空洞的因素：

A. 鉆孔

磨損的鉆頭或其它不恰當(dāng)鉆孔參數(shù)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(huì)從樹(shù)脂上撕裂，不僅僅取決于鉆孔的質(zhì)量，也取決于銅箔與樹(shù)脂的粘結(jié)強(qiáng)度。典型的例子是：多層板中氧化層與半固化片的結(jié)合往往較介電基材與銅箔的結(jié)合力更弱，故多數(shù)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(zhuǎn)處理的銅箔“（revers treated foil）。氧化面與半固化片不牢固結(jié)合，還可能導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致多層結(jié)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(jié)合交界面，它的名稱也暗示：形狀如“楔”，回縮形成空洞，通常可以被電鍍層覆蓋。若銅層覆蓋這些溝，銅層后面常常會(huì)有水分，在以后的工序中，如熱風(fēng)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(xiàn)。根據(jù)出現(xiàn)的位置與形狀，很容易確認(rèn)并與其它類型的空洞區(qū)分開(kāi)。

B.去沾污/凹蝕

去沾污步驟是用化學(xué)方法去掉內(nèi)層銅上的樹(shù)脂膩污。這種膩污最初是由鉆孔造成的。凹蝕是去沾污的進(jìn)一步深化，即將去掉更多的樹(shù)脂，使銅從樹(shù)脂中“突出”，與鍍銅層形成“三點(diǎn)結(jié)合”或“三面結(jié)合”，提高互聯(lián)可靠性。高錳酸鹽用于氧化樹(shù)脂，并“蝕刻”之。首先需要將樹(shù)脂溶脹，以便于高錳酸鹽處理，中和步驟可以去掉錳酸鹽殘?jiān)?，玻璃纖維蝕刻采用不同的化學(xué)方法，通常是氫氟酸。若去沾污不當(dāng)，可造成兩種類型的空洞：在孔壁粗糙的樹(shù)脂粘污可能藏有液體，可導(dǎo)致“吹氣孔”。在內(nèi)層銅上殘留的粘污會(huì)防礙銅/鍍銅層的良好結(jié)合，導(dǎo)致“孔壁拉脫”（hole wall pullaway）等，如在高溫處理中，或相關(guān)的測(cè)試中，鍍銅層與孔壁分離。樹(shù)脂分離可能導(dǎo)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(zhǔn)確講5，當(dāng)是還原反應(yīng)中）錳酸鉀鹽殘?jiān)赐耆サ?，也可能?dǎo)致空洞，還原反應(yīng)常常用到還原劑，如肼或羥胺等。

C.化學(xué)沉銅前的催化步驟

去沾污/凹蝕/化學(xué)沉銅之間的不匹配和各獨(dú)立步驟不夠優(yōu)化，也是值得考慮的問(wèn)題。那些研究過(guò)孔中空洞的人員都極力贊同化學(xué)處理的統(tǒng)一的整體性。傳統(tǒng)的沉銅前處理順序?yàn)榍鍧?，調(diào)整，活化（催化〕，加速（后活化〕，并進(jìn)入清（淋）洗，預(yù)浸，完全適于Murpiy原理。例如，調(diào)整劑，一種陽(yáng)離子聚酯電解質(zhì)用于中和玻璃纖維上的負(fù)電荷，往往須正確應(yīng)用才能得到所需的正電荷：調(diào)整劑太少，活化層及附著不好；調(diào)整劑太多，會(huì)形成一層膜導(dǎo)致沉銅附著不好；以致孔壁拉脫。調(diào)整劑覆蓋不充分，最容易在玻璃頭上出現(xiàn)。在金相中，空洞開(kāi)口表現(xiàn)在玻璃纖維處銅覆蓋不好，或沒(méi)有銅。其它引起在玻璃處出現(xiàn)空洞的原因有：玻璃蝕刻不充分，樹(shù)脂蝕刻過(guò)分，玻璃蝕刻過(guò)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(shí)間，濃度等。若空洞在樹(shù)脂上，可能有以下原因：去沾污步驟的錳酸鹽殘?jiān)?，等離子體殘留物，調(diào)整或活化不充分，沉銅槽活性不高。

2、與化學(xué)沉銅有關(guān)的孔中空洞

在查看孔中空洞時(shí)，總看化學(xué)槽液是否有問(wèn)題，同樣再看看，化學(xué)沉銅前處理槽液，還要覆蓋到化學(xué)銅，電鍍銅，鉛/錫槽共同問(wèn)題。總的來(lái)講，我們可以了解氣泡，固態(tài)物（塵，棉）或有機(jī)物粘污，干膜可能阻礙鍍液或活化液沉積。氣泡褒入，有外來(lái)的和內(nèi)在產(chǎn)生的氣泡。外來(lái)氣泡有時(shí)可能是板子進(jìn)入槽中，或振蕩搖擺時(shí)進(jìn)入通孔中。而固有氣泡是由化學(xué)沉銅液中附反應(yīng)產(chǎn)生氫氣引起，或電鍍液中陰極產(chǎn)生氫氣或陽(yáng)極產(chǎn)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(duì)稱分布，即對(duì)面孔壁有同樣寬度范圍內(nèi)無(wú)銅。在孔壁表面鍍上若有氣泡，表現(xiàn)為小坑，空洞周?chē)仕霠?。由塵埃，棉質(zhì)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(huì)被鍍層金屬包裹。非有機(jī)微粒可用EDX分析出，有機(jī)物可用FTIR檢查。

有關(guān)避免氣泡裹入的研究已有相當(dāng)?shù)纳疃取Ｆ渲杏性S多影響因素：陰極移動(dòng)搖擺幅度，板間間隔，振動(dòng)擺動(dòng)等。最有效的避免氣泡進(jìn)入孔中的方法為振動(dòng)和碰撞。增加板面間隔，增加陰極移動(dòng)距離也十分重要，化學(xué)沉銅槽中空氣攪拌和活化槽撞擊或振動(dòng)幾乎沒(méi)有用。另外，增加化學(xué)沉銅濕潤(rùn)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(guān)，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(guān)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(kāi)路。而由化學(xué)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(jī)理

孔口或孔邊空洞是由于抗蝕劑進(jìn)入孔內(nèi)，顯影時(shí)未去掉，它阻礙銅，錫，焊料電鍍，抗蝕劑在去膜時(shí)去掉，化學(xué)銅被蝕刻掉。一般顯影后很難發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)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(jù)?？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(shí)孔中空氣熱，空氣冷到室溫時(shí)氣壓降低。氣壓導(dǎo)致抗蝕劑慢慢流入孔中，直至顯影。

主要有三種因素導(dǎo)致抗蝕劑流動(dòng)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(shí)間太長(zhǎng)。

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(wèn)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(shí)間較長(zhǎng)也使更多的抗蝕劑流入孔中。表面處理與自動(dòng)貼膜連線，更易發(fā)生問(wèn)題。

C.避免孔口或孔邊空洞

避免孔口或孔邊空洞最佳及簡(jiǎn)單的辦法是在表面處理后增加烘干的程度?？兹舾稍?，不會(huì)發(fā)生孔口或孔邊空洞。再長(zhǎng)的放置時(shí)間和顯影不佳也不會(huì)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(shí)間短，但要考慮穩(wěn)定問(wèn)題，若發(fā)生以下情況，孔口或孔邊空洞可能會(huì)發(fā)生（以前沒(méi)有）：

（1）新的表面處理設(shè)備及干燥設(shè)備安裝后。

（2）表面處理設(shè)備及干燥段功能失常。

（3）生產(chǎn)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(jī)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(xiàn)為掩膜層被推入孔中50－70微米深，由于掩膜會(huì)阻礙溶液進(jìn)入，在孔的一端表現(xiàn)為一般的邊緣空洞，空洞會(huì)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(zhuǎn)為直接電鍍工藝，它有時(shí)與貼膜機(jī)連線，若后段烘干不充分，可能會(huì)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(guān)的空洞

掩孔工藝中，如果掩膜不好會(huì)造成蝕刻劑進(jìn)入孔中，蝕刻去沉積的銅。掩膜的機(jī)構(gòu)損傷是動(dòng)態(tài)發(fā)生的，而上下掩膜一起出現(xiàn)空洞的情況較少。同樣，掩膜很薄弱，造成孔內(nèi)負(fù)壓，最終導(dǎo)致掩孔缺陷，這層掩膜又可以降低負(fù)壓，對(duì)面的掩膜較易生存。一面的掩膜破壞，蝕刻劑進(jìn)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(duì)稱的，表現(xiàn)為一端銅厚，另一端薄。根據(jù)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(xué)沉銅，但有三類預(yù)處理工藝步驟；如：鈀基體工藝，碳膜工藝，有機(jī)導(dǎo)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(dǎo)電膜時(shí)，單體沉積和聚合物組成物沉積能形成空洞。大多數(shù)碳膜，石墨和鈀膜工藝都依賴于適當(dāng)?shù)目妆谡{(diào)整，用高分子電解質(zhì)陽(yáng)離子與含有相反電荷的有機(jī)催化層。以達(dá)到較好的催化吸附性。自然，在化學(xué)沉銅中已經(jīng)實(shí)踐證實(shí)是很好的工藝處理步驟，如孔壁清潔，調(diào)整，催化沉積等都恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用在直接電鍍工藝中。當(dāng)然，化學(xué)沉銅槽中特別的問(wèn)題，如氫氣產(chǎn)生等，不會(huì)在此發(fā)生。

在采用直接電鍍工藝時(shí)，若不按藥水供應(yīng)商所推薦的條件進(jìn)行，常常會(huì)產(chǎn)生一些特別問(wèn)題。如，在碳膜工藝中，一般不推薦在碳膜沉積后進(jìn)行板面刷洗，因?yàn)樗⒆訒?huì)去掉孔邊緣的碳膜顆粒。這種情況下，電鍍過(guò)程很難及時(shí)從銅表面進(jìn)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(duì)的一面進(jìn)行。但電鍍結(jié)果是逐步減弱，電鍍銅有可能不能與另一面銅表面連通。結(jié)果表現(xiàn)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(huì)發(fā)生空洞。噴射出的浮石粉顆?？赡芤院芨咚俣冗M(jìn)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(guān)的空洞

A.產(chǎn)生氣泡的內(nèi)在原因

幸運(yùn)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(chǎn)生是很小的問(wèn)題。需要避免的是很可能導(dǎo)致氫氣生成的條件，如：高電流密度和整流器波動(dòng)導(dǎo)致短時(shí)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(chǎn)生就成了一重要的問(wèn)題。在避免氫氣分制生成的一個(gè)有趣的進(jìn)展是添加“防坑添加劑”（antipititting additives）。 這些有機(jī)合成物，如已內(nèi)酰胺的衍生物，可能參與氧化還原反應(yīng)，在形成氫氣分子前奪走原子狀態(tài)的氫，防止氣泡產(chǎn)生。經(jīng)還原的“防坑添加劑”‘ 在陽(yáng)極又重新氧化，轉(zhuǎn)移到陰極，重新開(kāi)始這一循環(huán)。

B.產(chǎn)生氣泡的外在原因

最明顯的產(chǎn)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(qū)除孔中的空氣，一些電鍍夾具設(shè)計(jì)者已試驗(yàn)讓板子與夾具之間形成一定角度。漿狀攪拌器（paddle agitation）可以產(chǎn)生足夠的壓差，將氣泡趕出孔中。用壓縮空氣經(jīng)過(guò)噴霧器攪拌液體（air sparging）使之穿過(guò)板面也有助于趕走氣泡。當(dāng)然，噴霧攪拌本身也是一種氣體，混入槽中，空氣進(jìn)入循 環(huán)過(guò)濾泵產(chǎn)生一種過(guò)飽和液流，在集結(jié)位置會(huì)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(gè)問(wèn)題所困擾，進(jìn)而轉(zhuǎn)向于無(wú)空氣攪拌（溶液噴射）。

除抗蝕劑殘?jiān)蜌馀莸茸璧K電鍍外，其他造成電鍍空洞的幾個(gè)明顯問(wèn)題有：穿透力及差以及異物堵塞。穿透差的槽液會(huì)造成中間無(wú)銅，但這是非常極端的情況。通常是孔中央銅厚不足，不能達(dá)到允收標(biāo)準(zhǔn)。在酸性鍍銅槽中，導(dǎo)致穿透力差有以下幾個(gè)原因：銅/ 酸比例不當(dāng)，槽液污染，有機(jī)添加劑偏少或不足，電流分布差，遮擋效應(yīng)或攪拌等。若發(fā)現(xiàn)顆粒污染，則多是循環(huán)或過(guò)濾泵故障，倒槽頻率太低，陽(yáng)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(wèn)題，都會(huì)將通孔中的銅暴露于蝕刻劑中，從而導(dǎo)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(diǎn)違背先后順序，在這里仍然要強(qiáng)調(diào)銅被蝕刻掉，從而造成空洞的原因。

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

當(dāng)在波峰焊，熱風(fēng)整平，或其它高溫再流焊步驟或模擬熱應(yīng)力測(cè)試時(shí)發(fā)生孔壁銅的缺損（裂紋，脫落〕，造成這類問(wèn)題的根源常常需追溯到孔壁預(yù)處理和最初的金屬化步驟?？妆诳斩纯梢杂性S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(shí)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(wèn)題的根源?？妆诳斩匆渤３Ｊ嵌喾N工藝條件相互影響產(chǎn)生，它們可能同時(shí)作用，也可能具有先后順序。沿工藝流程步驟仔細(xì)分析缺陷表征才有可能一針見(jiàn)血的找到根本所在。